【顶刊综述】普渡大学武文倬教授&香港城市大学张华教授 Chem Soc Rev:继石墨烯后新兴的单质二维材料于能源与催化应用- 大数跨境

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【顶刊综述】普渡大学武文倬教授&香港城市大学张华教授 Chem Soc Rev:继石墨烯后新兴的单质二维材料于能源与催化应用

科学材料站

2021-08-27

导读：该文章综述了除石墨烯以外新兴的二维单质材料的结构、性质、材料制备，以及在能源与催化方面应用的最新进展。

文章信息

继石墨烯后新兴的单质二维材料于能源与催化应用

第一作者：范凤茹，王若星

通讯作者：武文倬*，张华*

单位：美国普渡大学，香港城市大学

研究背景

由于其独特的物理、化学和电子特性，二维单质材料正逐渐成为在能源与催化领域极具潜力的候选材料。这些材料的优势在于巨大的比表面积、有利的传输特性、奇特的物理化学性质，以及由于二维超薄结构导致的局限效应。

本篇综述展示了继石墨烯之后新兴的二维单质材料在能源与催化领域应用的最新进展。首先简要介绍了二维单质材料的分类、结构、性质以及材料制备。然后讨论了在能量采集和存储方面的应用以及在电催化、光催化、多相催化等催化领域的应用。最后对未来发展的前景与面临的挑战提出了展望。

本文为未来二维单质材料的研究提供了方向，有助于加速二维单质材料在能源与催化领域的研究及实际应用。

文章简介

在这里，来自美国普渡大学的武文倬教授与香港城市大学张华教授合作，在国际知名期刊Chemical Society Reviews上发表题为“Emerging beyond-graphene elemental 2D materials for energy and catalysis applications”的综述文章。

文章综述了除石墨烯以外新兴的二维单质材料的结构、性质、材料制备，以及在能源与催化方面应用的最新进展。

图1. 在实验中实现原子级厚度的主族和过渡金属元素二维形貌的时间轴。

本文要点

要点一：二维单质材料的性质与制备

基于元素周期表，作者将二维单质材料进行了分类，对主族元素按族讨论了III，IV，V，和VI族中除石墨烯外的其他二维单质材料的结构、性质与制备方法。将过渡金属元素分为贵金属和其他金属也进行了分别介绍。

要点二：能源方面的应用

二维单质材料在能源方面的应用主要可分为能量采集与存储两方面。能量采集部分介绍了二维单质材料在太阳能光伏、压电和摩擦纳米发电机、热电器件及其他能量转换技术方面的应用。在能量存储设备领域的研究进展主要包括基于二维单质材料的电池和超级电容器。

要点三：催化方面的应用

良好的催化剂需要具有高活性、高选择性以及高稳定性。在这部分，作者首先介绍了二维单质材料作为电催化中的高性能催化剂用于析氢反应（HER），析氧和氧还原反应（OER and ORR），二氧化碳还原反应（CRR）等电催化反应。并进一步讨论了二维单质材料在光催化、多相催化等其他催化作用中的研究进展。

要点四：前瞻

尽管相关领域已取得了巨大进展，想要全面了解并充分发挥二维单质材料在能源和催化领域的潜力仍有许多工作要做。对于工艺-结构-性质-性能的关系还缺乏基本的理解，导致控制和设计材料合成与器件性能富有挑战性。

尽管如此，作者相信研究者们未来可以在基于二维单质材料的能源装置和催化剂的基础研究与技术革新方面取得重大进展。

作者展望的未来研究方向包括：（1）实验与理论的协同进步；（2）对于能源相关领域，进一步提高能量转换/存储效率和器件性能；（3）对于催化相关领域，解决催化剂活性、稳定性以及产物稳定性的关键问题；（4）克服材料的某些不利的固有特性或与加工相关的结构缺点的限制。

文章链接

Emerging beyond-graphene elemental 2D materials for energy and catalysis applications

https://pubs.rsc.org/en/content/articlepdf/2021/cs/c9cs00821g

通讯作者介绍

武文倬教授。

2005年本科毕业于中国科学技术大学电气工程学院。2008年获得新加坡国立大学电子工程硕士学位。2013年获得佐治亚理工学院材料科学与工程博士学位，师从王中林教授。2016年加入普渡大学，现任工程学院工业工程专业Ravi and Eleanor Talwar Rising Star副教授。长期从事纳米材料的设计、制造与集成以及在能源、电子、光电子和可穿戴设备方面的应用。以第一作者和通讯作者身份在Nature, Science, Nature Electronics, Nature Reviews Materials, Advanced Materials等高影响力学术刊物上发表多篇研究论文。至今被引用11,000余次，H因子50。

张华教授。

1998年获北京大学博士学位。1999-2001年于比利时鲁汶大学，2001-2003年于美国西北大学从事博士后研究。2003和2005年分别在美国NanoInk 公司和新加坡生物工程与纳米技术研究院工作。2006年加入新加坡南洋理工大学材料科学与工程学院任助理教授，并于2013年晋升为教授。现任香港城市大学胡晓明讲座教授（纳米材料）。张华教授的研究领域涵盖多个前沿交叉学科。目前的研究聚焦于纳米材料相工程（PEN）、精细多级结构的可控外延生长等。迄今为止，张华教授已发表了500余篇学术论文，被引用105,000余次（H因子为159）。张华教授于2020年当选欧洲科学院外籍院士 (Foreign Fellow of European Academy of Sciences)，2015年当选亚太材料学院院士 (Academician of the Asia Pacific Academy of Materials)，2014年当选英国皇家化学会会士 (Fellow of the Royal Society of Chemistry)。