张华/武文倬Chem. Soc. Rev.: 用于能源和催化应用的石墨烯以外的元素2D材料

张华/武文倬Chem. Soc. Rev.: 用于能源和催化应用的石墨烯以外的元素2D材料

元素二维 (2D) 材料由于其独特的物理、化学和电子特性,已成为能源和催化应用的有希望的候选材料。

在有利的传输特性、有趣的物理化学特性、提供巨大的表面积与体积比、以及二维超薄结构产生的限制效应方面,这些材料具有优势。

张华/武文倬Chem. Soc. Rev.: 用于能源和催化应用的石墨烯以外的元素2D材料

图1. 基本元素二维材料概述

在此,香港城市大学张华教授和美国普渡大学武文倬教授等人综述了基于除石墨烯以外的元素二维材料在新兴能源和催化方面应用的最新进展。首先,作者简要介绍了元素二维材料的一般分类、结构和性质以及材料制备的新进展。

然后讨论了能量收集和存储方面的各种应用,包括太阳能电池、压电和摩擦纳米发电机,热电设备、电池和超级电容器。此外,作者进一步讨论了元素二维材料用于电催化、光催化和多相催化的探索。最后,讨论了元素二维材料在能源和催化领域未来发展的挑战和前景。

张华/武文倬Chem. Soc. Rev.: 用于能源和催化应用的石墨烯以外的元素2D材料

图2. 基于元素二维材料的锂离子电池及性能

作者指出,未来的研究方向包括

(1) 实验工作和理论计算之间的协同作用至关重要,不仅对于材料合成和表征,而且对于器件性能和应用开发

(2) 对于能源相关应用,能源转换/存储效率和器件性能有待进一步提高。

(3) 对于催化相关应用,催化剂的活性和稳定性以及产物选择性是需要解决的关键问题。

(4) 尽管报道了许多元素2D材料的令人兴奋的结果,但它们通常受到其固有特性的某些方面和与加工相关的结构缺点的限制,如何有针对性地克服这些缺点是未来研究的重要方向。

张华/武文倬Chem. Soc. Rev.: 用于能源和催化应用的石墨烯以外的元素2D材料

图3. 元素二维材料及其在能源和催化方面的先进应用的示意图

Emerging beyond-graphene elemental 2D materials for energy and catalysis applications, Chemical Society Reviews 2021. DOI: 10.1039/C9CS00821G

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