聚焦：二維類石墨烯材料在儲能領域的應用前景

1二維石墨烯類似物

圖1 用於能源存儲的石墨烯類似物的結構，如過渡金屬硫化物、過渡金屬氧化物、過渡金屬氫氧化物以及磷烯和硅烯等。

二維石墨烯類似物(GAs)結構與石墨烯類似，具有原子級的厚度和優異的電化學性質，在超級電容器和電池等能源存貯領域有潛在的應用前景。Gas比表面積高，能夠充分利用活性物質上可用反應位點，因此增加電極和電解液的接觸面積並促進電荷的轉移。

2二維石墨烯類似物的製備

圖2 自上而下以及自下而上兩種方法製備二維石墨烯類似物：包含電化學剝離法和超聲分散法，以及氣相沉積法和化學合成法。

自上而下法是從塊體晶上獲得微米或者納米級尺度片。通過機械剝離獲得的GAs片質量和純度都很高，適合用於基礎研究尤其是用於概念性驗證設備。但是這種方法產量低並且難以控制層數。

具有固定層數的大面積Gas可有CVD法製備，即自下而上法。使用分子前驅體利用水熱/溶劑熱法也可以製備二維材料。

3二維石墨烯類似物的性質

表1 常見二維石墨烯類似物的性質，如較大的比表面積。

4二維石墨烯類似物用於超級電容器

目前對超級電容器的研究，主要集中於發展和發現新的電極材料，以便提高儲能能力和循環壽命，並且降低成本。文章分別對GAs在雙電層電容器和贗電容器的應用作了介紹，如圖3和圖4所示。 4

圖3雙電層電容器

由於GAs的高電子電導率，其在超級電容器中的應用很有前景。但是MoS2和WS2之類的半導體GAs電導率相對較低，因此不利於其應用於超級電容器電極。

圖4贗電容器

在應用於贗電容器的眾多材料中，TMOs和TMHs由於其高理論容量、化學穩定性、與電解液的高相容性以及易於製備等特點受到廣泛關注。

圖5 分別基於二硫化鉬和二硫化釩的超級電容器

化學剝離法製備的金屬型二硫化鉬具有較高的導電性，體積比電容可以達到400-700 F cm-3。高導電性的二硫化釩比電容可以達到4760 F cmcm-2，並且具有良好的循環性能。

圖6二維過渡金屬碳化物用於超級電容器

原位聚合吡咯與二維過渡金屬碳化物所形成的複合物展示出優異的電化學性質：體積比電容可以達到1000 F cm-3，並且循環25000次以上仍能保持90%以上。這種良好的性能可以歸結為兩種材料之間的協同效應。

5二維石墨烯類似物用於電

由於高比表面積和優異的電化學性質，層狀材料一直是電池電極材料的備選物。二維石墨烯類似物在鋰電池、鈉電池、鋰硫電池、鋰空氣電池等新能源儲能器件中應用廣泛，文中主要討論了其在鋰離子電池和鈉離子電池中的應用，如下例所示：

圖7 二硫化鉬/硫摻雜的石墨烯複合物用於鋰離子電

通過溶劑熱處理法製備的二硫化鉬/硫摻雜的還原氧化石墨烯複合物，在進一步熱處理之後，可以用於鋰離子電池材料中。在高電流密度的條件下(10 A g-1)，展示出較高的比容量(915 mAh g-1)和良好的循環性能。

圖8 磷烯/石墨烯的複合物用於鈉離子電池。

磷烯自身的理論比容量為2596 mAh g-1。通過溶液法製備的磷烯/石墨烯複合物可以用於鈉離子電池材料當中，由於兩種材料之間的協同效應，該複合材料的比容量可以達到2440 mAh g-1。

總結與展望

作者總結了石墨烯類似物在儲能器件中的應用，如超級電容器和鋰離子電池等。目前來說，它們在儲能器件中的表現仍然不盡人意，其在倍率性能和循環穩定性上的表現限制了實際應用，面對未來大規模的市場化應用，其性能還需要大幅提升，提出以下五點展望：

1、需要製備高效、穩定、低成本的製備高性能的能源存儲器件;

2、發展低成本、高效、大規模製備高質量的二維石墨烯類似物技術，控制尺寸和層數;

3、解決其低導電性問題，例如與高導電材料如石墨烯等複合;

4、深入研究結構和性能之間的關係，以及能源存儲機理(理論和實驗相結合);

5、需要學術界和工業界的密切合作，以解決二維石墨烯類似物在能源存儲實際應用中所面臨的問題。

原標題:聚焦：二維類石墨烯材料在儲能領域的應用前景

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