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雷勇/孙书会/张山青教授AEM教授: 高度可控纳米结构在电化学能源存储与转化中的应用
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雷勇/孙书会/张山青教授AEM教授: 高度可控纳米结构在电化学能源存储与转化中的应用

雷勇/孙书会/张山青教授AEM教授: 高度可控纳米结构在电化学能源存储与转化中的应用 科学材料站
2020-06-27
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导读：本文总结了高度可控纳米材料的相关电化学优势及制备方法, 详细回顾了其在能源转化与存储中的应用(即电催化、光电催化、离子电池、超级电容器)，进而展望了未来的研究重点。


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导读

相比于块体, 纳米尺度下材料表现出许多独有的特性. 这些特性可极大改变电化学能源转换与存储中普遍存在的载体物理输运以及化学反应过程, 从而有机会提高电化学能源转换与存储的效率. 除了纳米材料共有的特性以外, 高度可控纳米材料可以通过改变其结构参数（尺寸、形貌、异质结构、空间排列）进一步精确调控这些特性, 进而优化相关器件性能并实现高效能源利用.

有鉴于此，德国伊尔默瑙工业大学雷勇教授团队联合加拿大国立科学院孙书会教授团队与澳大利亚格里菲斯大学张山青教授团队，总结了高度可控纳米材料的相关电化学优势及制备方法, 详细回顾了其在能源转化与存储中的应用(即电催化、光电催化、离子电池、超级电容器)，进而展望了未来的研究重点。相关结果以题为"Well-Defined Nanostructures for Electrochemical Energy Conversion and Storage"发表在Advanced Energy Materials（DOI: 10.1002/aenm.202001537）上。


背景简介

1.   电化学能源转换与存储的困境
利用可再生新能源并彻底解决传统化石能源消耗所引起的相关环境问题对于建立一个稳定可持续的人类社会起到了至关重要的作用。电化学能源转换与存储在新能源技术中发挥了无与伦比的重要作用。为了充分替代目前的化石能源供应体系，新能源技术的电化学能源转换与存储效率需要持续不断的提高从而增强其市场竞争力。然而，电化学能源转换与存储通常涉及众多错综复杂的化学反应和物理作用。因为这些物理化学过程通常发生在电极与电解液的界面与内部，电极的材料与结构的选择将显而易见决定着相关物理/化学载体（比如，电子、空穴、离子、分子）的动力学与输运行为。因此，通过设计电极材料与结构来提高电化学能源转换与存储效率成为长久以来工业界和学术界的重要研究课题。

2.   电极纳米结构化的解决方案
除了寻找合适的电极材料，目前许多研究团队将精力转移到了通过设计电极结构来提高能源转换与存储效率，特别是考虑到目前传统块体电极已经遇到了很大的性能瓶颈。在众多的手段中，电极纳米结构化展现出了无与伦比的技术优势，这些优势得益于材料在纳米尺度下所表现出的特有的物理化学性能：比如可控的表面原子比率将增大单位质量材料的表面积，而有序的空间排列则会提供快速的载体输运通道，这些都将提高相关的电化学反应活性。总的来讲，利用电极纳米结构化来增强电化学能源转换与存储包含四个重要的研究方向：纳米结构的尺寸与形貌控制、组合多种纳米结构合成异质结以及纳米结构单元的空间排布的设计。高度可控的尺寸与形貌为纳米结构的性能调控提供了巨大的空间，比如改变半导体带隙、载流子输运和化学势等；合成异质结与调控空间排布则有利于实现多种材料功能的结合、定向载体输运、纳米限域效应等。因此，实现高度可控的纳米材料将有助于理解能源转换与存储的电化学过程并借此优化器件性能。

核心内容

图1.
(a) 0维到3维纳米材料示意图以及 
(b-e) 高度可控纳米材料的可变结构参数: 尺寸、形貌、异质结构、空间排列.


图2.
 高度可控纳米材料通过改变结构参数 (尺寸、形貌、异质结构、空间形貌) 而表现出有利于电化学能源转换与存储的优势. 总体上,电化学能源转换与存储过程可以被归纳为两个方面:载体的物理输运以及化学反应. 图2总结了高度可控纳米材料改变结构参数所表现出的促进载体物理输运和化学反应的优势:

一、可控尺寸表现出的优势.  对于物理输运: 

1) 缩短载体在电极中的输运长度; 

2) 扩展电极与电解液界面; 

3) 移动电极材料带边;  

4) 改变载体输运特性.  对于化学反应: 

5) 增加活性位点; 

6) 调节化学势; 

7) 提供新的能源转换与存储机理; 

8) 改变带隙影响光吸收.


二、可控形貌表现出的优势. 对于物理输运:  
1) 增强局域电场导引载体输运;  
2) 导引光传播. 对于化学反应: 
3) 改变电极表面原子排列; 
4) 改变带隙影响光吸收.

三、可控异质结构表现出的优势.  对于物理输运: 
1) 联合多种纳米材料, 其中一种材料专门提供载体快速输运通道;  
2) 结合多种纳米材料,调整并设计载体输运. 对于化学反应；
3) 结合多种纳米材料, 每种材料可独立完成整个电化学过程且彼此可相互补充而提高器件性能; 
4) 联合多种纳米材料, 其中一种或多种材料辅助其他材料发挥作用, 且自身无法完成整个电化学过程.

四、可控空间排布表现出的优势. 对于物理输运: 
1) 电解液中定向载体输运;  
2) 电极中定向载体输运; 
3) 提供新型的输运形式; 
4) 导引光吸收. 对于化学反应: 
5)  提供纳米限域效应; 
6) 增大载体的获取概率.

图3.
(a)在电极和电解液界面上的电催化与光电催化 (碳循环、水循环、氮循环) 示意图. 典型的电催化或光电催化反应包括五个步骤:反应载体扩散到电极催化剂表面、吸附、氧化还原反应、产物脱吸附、产物在电解液中的扩散.
 (b) 锂离子电池电极材料 (比如, 碳、金属/合金、过渡金属氧化物、硅) 中不同的反应机理.
 (c) 纳米结构化电极材料至0维、1维、2维、3维可以优化电化学反应中的物理输运和化学反应, 从而最终促进电催化、光电催化、离子电池以及超级电容器等器件性能.

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