二維電極材料的案例
青島能源所開發出新型二維柔性電極材料
由于特有的結構優勢，二維材料成為理想的柔性電極材料。然而，目前已知的二維電極材料往往具有致密的原子排布，這使得鋰離子在層間的傳輸遇到較大的位阻，從而導致較低的功率密度和能量密度。
近期，在中國科學院李玉良院士的指導下，中科院青島生物能源與過程研究所研究員黃長水帶領的碳基材料與能源應用研究組首次設計合成了氟取代的石墨炔二維碳材料，應用于鋰離子電池負極，顯示出優異的電化學儲能性能。相關成果已在線發表于Energy & Environmental Science（一區TOP期刊，影響因子30.067）。
論文鏈接：
http://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2018/ee/c8ee01642a/unauth#!divAbstract
該研究組近期報道了在不同基底上制備石墨炔（Chemical Communications, 2018, 54, 6004）、氮摻雜石墨炔（Carbon, 2018, 137, 442）、石墨炔負載鐵（2D Materials, 2018, DOI: 10.1088/2053-1583/aacba5）。研究人員更是成功將氟原子引入石墨炔結構當中，制備得到新型碳基柔性電極材料，將極大地推動穿戴智能設備等所需柔性電池的發展。
圖：氟取代石墨炔在柔性電池中的應用
如圖所示，通過氟取代，使得石墨炔分子孔道擴大，在AB堆積下也具有優良的離子傳輸通道；同時，保留了石墨炔的基本框架和二維平面結構中的共軛體系，使其材料具有優異的導電性和載流子傳輸特性；尤其是碳氟鍵具有優良的循環儲鋰能力，不僅增加了材料的儲鋰位點，同時碳氟鍵與電解液具有很好的相容性，可以大大降低界面阻抗，從而提高循環穩定性。
展開 采用COMSOL分析多孔電極材料與氧氣電反應強度分布
本案例從CT掃描微觀粒子斷層數據中，重建起來三維模型，計算氧氣電化學反應，橫向對比不同形態微觀粒子的反應強度分布。
通過對微觀粒子重建、分析，可以有效評估該粒子的多種性能表現，輔助研究人員快速發現和優化所需的粒子體系。
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濟州大學《AEM》綜述：摩擦電納米發電機摩擦層和電極材料
A) 基于石墨烯的透明電極的逐步制備過程及其在基于 TENG 的手指運動監測中的應用。
圖6.A)用激光合成LIG，在PI上用激光合成LIG，在軟木上用LIG成像，在觸點分離TENG上用激光合成LIG。
圖7. A)基于TENG的MoS2單層薄膜的3D圖。B)基于相對極性測試和功函數測量的二維層狀材料的摩擦電學系列。
圖8.A)Ti3C2TXMXene結構及其在TENG中的應用。B)CNFS/MXene可伸縮TENG液體電極概述及其在人體運動監測中的應用。
圖9.A)基于MXene復合電極和LIG電極的TENG器件制造工藝布局。B)砂紙粒度、膜厚、織物質地等因素對FW-TENG性能的影響及其在集雨/風能中的應用。
圖10.MOF基材料在能源應用方面取得的主要成就的時間表。
圖11.a)基于ZIF-8的TENG，用于自供電四環素傳感.
圖12.a)基于HKUST-1/PDMS的TEN的3D插圖，以及不同濃度復合薄膜的衰減時間和介電常數的變化。
圖13.a)一種基于MOCP的自供電防腐系統觸點分離模式TENG。
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展開 2D鐵電材料的層依賴鐵電極化
二維范德華鐵電材料是否具有層依賴的鐵電極化特性也備受關注。因此，探索層依賴的本征鐵電極化和極化反轉以及研究極化關聯的輸運對理解二維鐵電極化的物理機制和引導構建鐵電基器件極為重要。
在此，來自山西師范大學的薛武紅副教授和許小紅教授，報道了2H α-In2Se3具有層依賴的鐵電極化現象。與
2H α-In2Se3偶數層相比，奇數層具有較大的面內電極化且能夠實現極化反轉；由于面內和面外極化的關聯性，當面內極化被電場反轉后，面外極化也出現類似的層依賴特性。該結果豐富了二維材料家族的層依賴物理特性，為有效構建極化關聯的納米器件（如：存內運算和復雜的神經形態運算等）提供了有意義的指導。
展開 
鋰空氣電池電極材料的設計和機理研究獲進展
鋰空氣二次電池因具有超高的理論比能量而成為國際上的研究與開發熱點，然而由于其正極復雜的氣-液-固共存的三相結構，及其在循環穩定性、能量效率等方面所存在的問題，其實際應用仍然面臨很大的挑戰，開發高效的空氣電極催化劑等材料十分迫切。
近日，中國科學院上海硅酸鹽研究所研究員溫兆銀帶領的團隊在鋰空氣電池電極材料的設計和機理研究方面取得新進展。他們針對金屬硫化物的催化惰性，以材料晶體結構修飾為手段，成功制備了具有高度晶格畸變的亞穩態金屬硫化物正極材料，具有潛在的應用價值，相關研究成果于近期發表于《納米快報》（Nano Letters, 2017, DOI: 10.1021/acs.nanolett.7b00603）。
同時，他們還成功揭示了鋰空氣電池中間放電產物在氧空位位點的自催化分解反應，放電產物自催化分解現象的發現也可以為未來高效正極的設計提供新的思路和解決方案，該項成果于近期發表《納米能源》（Nano Energy, 2017, 36, 186-196. DOI: 10.1016/j.nanoen.2017.04.038）。
溫兆銀團隊在前期成功合成定向結構三維二硫化鉬材料的基礎上（ACS Nano, 2015, 9 (12), 12464-12472. DOI: 10.1021/acsnano.5b05891），采用低溫液相法成功地設計了層內二硫化鉬/二硒化鉬異質結構，通過與美國伊利諾伊斯大學合作進行的球差校正掃描透射電鏡分析證明了該層狀材料層間和層內高度的晶格畸變，且沿相同晶面呈現間距不規則的特性，這種高度畸變的亞穩結構能夠顯著提升材料的催化活性。原位透射電鏡揭示了鋰離子在材料結構中的快速穿梭和傳輸。此種高活性的催化劑首次成功地實現了金屬硫化物在鋰空氣電池中的穩定深度循環，具有潛在的應用價值。
展開 寧波大學《AFM》：氮硫共摻雜協同效應，助力超長壽命電極材料！
最近，鈮化氧化物因其高理論容量和相對小的體積變化而作為有前途的陽極材料受到廣泛關注。然而，大多數鈮基氧化物顯示出有限的離子和電子導電性，這不利于鋰離子在LiB中的放電/充電過程中插入/取出。為了提高電化學性能，需要合理設計和實現雜化納米結構，以同時提高離子和電子的電導率。由于協同效應，多雜原子共摻雜碳涂層可以顯著提高電極材料的電導率和傳質速率。
來自寧波大學等單位的研究人員采用一種簡便的硫脲蒸發法在氧化鈮(GNO@NSC)表面引入氮、硫共摻雜碳涂層。理論計算和實驗結果證實了GNO@NSC復合材料中n，s共摻雜的協同效應。氮、硫共摻雜不僅擴大了碳材料的層間距，而且導致更多的鋰存儲活化位點。同時，在GNO上引入共摻雜碳層顯著增強了與GNO的鍵合相互作用，這導致復合材料具有優異的結構穩定性和導電性。因此，GNO@NSC復合材料具有優異的結構可逆性、大的比容量和高性能。GNO@NSC納米線提供288毫安時每克的可逆容量，并顯示出優異的循環穩定性，在1A/g的高電流密度下，6000次循環后，其容量保持率為78.9%。本研究揭示了氮、硫共摻雜碳涂層的作用機理和鈮氧化物性能改善的根源，可為相關材料的設計和開發提供參考。相關論文發表在Advanced Functional Materials。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1002/adfm.202100311
總的來說，本文采用方便的碳化方法，制備了含缺陷氮、硫共摻雜碳涂層的GeNb18O47納米線。氮硫共摻雜使GNO與碳涂層之間的結合作用更強、層間距更大、活化位點更豐富，以及碳涂層的邊緣負吸附能更高。由于上述協同效應，具有優異結構穩定性的GNO@NSC表現出優異的倍率性能、長循環性能和大鋰離子擴散系數。
展開 設計微米FeS2電極材料---同步構建CNT導電網絡及保護殼
【引言】
FeS2成本低廉，儲量豐富，理論容量可以達到894 mAh.g-1，是高能量密度二次鋰離子電池的候選材料。但是FeS2及其放電產物的電導率較低，而且伴隨FeS2的轉換反應出現嚴重的體積變化以及多硫化物的溶解，導致FeS2容量迅速衰減。納米化可以減小充放電過程中材料的體積變化，提高參與儲鋰反應的活性物質比例。盡管如此，納米結構會加劇材料相間不利的反應，同時造成體系體積能密度降低，與高能量密度電池的設計要求相差甚遠。與之相比，微米級FeS2粒子作為鋰離子電池的活性材料更具有實用性。然而，微米級FeS2電極材料研究開發面臨著以下重要的挑戰：體積膨脹嚴重、Li+擴散條件差、以及有效活性物質比例低。
【成果簡介】
北京科技大學連芳教授研究團隊采用溶劑熱法一步制備了同時具有CNT外部保護殼層和內部連續導電網絡的FeS2/CNT微米材料(FeS2@B-CNTs)。CNT纏繞交織形成的外殼作為強大的機械緩沖層和多硫化物吸附器，保證了電極材料超長循環周期的電化學活性。此外，從表面到內部的連續CNTs網絡縮短了離子和電子的輸運路徑，增強了鋰離子的擴散性能，參與儲鋰反應的活性物質比例顯著提高。FeS2@B-CNTs電極的首次庫侖效率高達91.3%，在1000 mA.g-1電流密度下循環500圈后仍具有698 mAh.g-1的容量。同時，此項研究為長循環壽命、高能量密度的過渡金屬硫化物電極材料的設計和制備提供了技術方案。
展開 郭傳飛、任志鋒《先進功能材料》綜述: 柔性電子學—可拉伸電極及其未來
隨著可穿戴和可植入式電子設備的出現，以及對智能軟體機器人不斷增長的需求，學術界和工業界已將目光投向了研制開發同時具有優異力學柔性和電學特性的功能電子材料，而可拉伸電極材料是基礎關鍵。
圖1 柔性電極、柔性電子設備和軟體機器人之間關系的示意圖
文章系統比較了不同電極材料的光電性能和力學性能，并對常用電極材料的優缺點進行了評述。此外，文章還深入探討了材料的幾何形狀設計（圖2）、襯底選擇以及電極-襯底粘附力對電極拉伸性能的影響，揭示了設計制備可拉伸電極的一種通用策略，并闡釋了具有生物相容性的可拉伸電極在人體（圖3）和新型智能仿生電子產品（圖4和圖5）中的應用。
圖2 可拉伸電極的幾何形狀與剪紙結構設計
圖3 柔性電子器件在人體上的應用
圖4 多功能電子皮膚的特性示例
圖5 柔性電極在電驅動軟體驅動器的應用示例
文章最后指出，雖然柔性電子領域取得了很多令人鼓舞的進展，但依然面臨著巨大的挑戰。同時集成了物理、化學和電生理信號測試傳感功能的可穿戴綜合醫療健康監測系統，可以為人們提供一個更加全面的個人生理健康狀態圖像，是未來醫療健康領域發展的方向。此外，將具有不同功能的柔性電子元件（包括傳感、驅動、數據傳輸和分析、能源，以及能量收集轉化系統等）集成于一體的智能柔性電子系統能夠對內部和外部信號進行實時感應和動態反饋，是智能制造領域的熱點研究方向之一。隨著柔性電子和人工智能時代的到來，可拉伸電極和電子元件與生物體的有機集成，以及開發具有柔性幾何結構設計和實時自主感應反饋的全軟體機器人，將成為越來越重要的跨學科領域。
文獻鏈接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.20180592
（Adv. Funct.
展開 Res.綜述：用于電催化的無機低維電極材料的表界面工程
在本文中，研究者們普遍關注起材料表面和界面改性策略的最新進展，以有效地提高無機低維電極材料的電催化性能。我們總結了幾個重要的調控策略，包括：尺寸限制、結合、表面重建、界面調制和缺陷工程的，它們極大地優化了無機電極材料的自旋構型、電導率、催化活性位點暴露和反應能壘。在尺寸受限的原子級厚度下，更多的表界面原子作為活性位點暴露，這為應用表面結合和缺陷工程提供了理想的平臺，隨后產生更多的催化活性位點和更好的吸附自由能以改善催化活性。此外，調節電極材料的界面特性，例如表面應變、接觸面積和橋接鍵，可以優化電子轉移能力和反應動力學過程。另一方面，一旦暴露在氧化電位下的強堿性溶液中，電極材料的真實活性層（如過渡金屬硫化物，氮化物和磷化物）可以通過表面重建策略激活，實現獨特的核-殼結構內部具有高導電性電子傳遞通道，外部具有高活性催化位點，從而用于高效電催化?；谶@些觀點，關注無機低維電極材料，正確選擇表面和界面改性策略將有效調節其電催化活性，實現其不可限量的應用前景比如：電催化水分解、可充電金屬電池和燃料電池。總的來說，我們預計表界面調節方法可以提供對無機電極材料設計的新認識，促進電極材料的電催化性能的快速提升。
圖1. 使用表/界面調節策略設計用于可持續能源設備的無機低維電極材料的主要限制參數的示意圖。
【通過表/界面工程調節電催化反應參數】
1.1 提高電導率
在內在電性能和電催化活性之間建立明確的關系對于優質電極材料的開發具有重要意義。能帶結構、載流子濃度和遷移率是低維納米材料中固有電導率的內部決定因素。
圖2. 提高電導率。
（a）塊狀Ni3N和Ni3N納米片的狀態密度（DOS）。
展開 西安交大 | 鋰離子電池電極材料結構設計方面取得新進展，研究成果發表于納米領域國際權威期刊ACS N
電極材料在嵌/脫鋰過程中伴隨著體積的膨脹/收縮。這種體積效應往往會導致材料破碎失效。因此，電極材料在充放電循環過程中的結構穩定性，對電池的容量、倍率以及循環壽命等性能有著至關重要的影響。
基于二氧化硅（SiO2）作為填料可以提高復合材料機械性能這一現象，西安交通大學電氣學院牛春明千人團隊王紅康老師課題組設計并成功制備了一種SiO2增強的多孔Sb/C纖維復合材料。
利用靜電紡絲法將硅源（硅酸乙酯）、銻源（三氯化銻）和碳源（聚乙烯吡咯烷酮）制備成纖維結構，再通過熱處理一步形成了多孔碳纖維包覆SiO2和Sb納米顆粒的獨特結構。
SiO2的引入大大增強了纖維的整體結構穩定性。作為鋰離子電池負極材料，所得SiO2/Sb/C多孔纖維電極在半電池和全電池測試中均顯示了優異的電化學性能。碳纖維不但提高了電極材料的導電性，而且其多孔結構有效消納了SiO2和Sb在嵌/脫鋰過程中體積變化。
通過原位和非原位電鏡表征，進一步揭示了該材料在嵌/脫鋰過程中的結構穩定性。該工作提出的電極材料結構增強思路，即利用SiO2增強效應（Silica-Reinforcement Effect）同步實現了電極結構穩定性和儲鋰性能的雙提升，且該方法具有通用性（Materials Today Energy 2016, 1–2, 24-32；Nanoscale 2016, 8, 7595-7603）。
展開 清華綜述：CVD生長二維材料，可控制備、高質量材料及生長機理
材料的可控制備是二維材料應用的前提，化學氣相沉積（CVD）是制備二維材料的重要方法。然而，當前制備化合物二維材料主要以固相前驅體為原料，其升華和擴散過程復雜且難以控制、生長體系中材料制備反應和副反應共存，這給材料制備的可控性、重復性和高質量材料的獲取帶來了巨大挑戰。
近日，清華-伯克利深圳學院（TBSI）低維材料與器件實驗室成會明、劉碧錄團隊受邀在綜述期刊《材料研究述評》（Accounts of Materials Research）上發表了題為 《化學氣相沉積法生長化合物二維材料: 可控制備、高質量材料及生長機理》（Chemical Vapor Deposition Growth of Two-dimensional Compound Materials: Controllability, Material Quality, and Growth Mechanism）的綜述文章。
論文鏈接：
https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/accountsmr.0c00063
該綜述以二維過渡金屬硫族化合物（TMDCs）為例，回顧了CVD生長二維材料的進展，總結了近年來研究人員建立的具有前景的生長策略，并重點討論了CVD生長二維材料中涉及的關鍵科學和技術難題，包括非金屬前驅體、金屬前驅體、襯底工程、溫度、氣流等的控制策略和方法。該文還對CVD生長二維材料的機理研究進行了總結。
最后，文章指出了CVD生長二維材料領域未來的研究方向，其中包括：新型二維材料的制備（如穩定p型半導體材料、高遷移率二維材料、寬帶隙二維材料、窄帶隙二維材料），CVD生長結合后處理以獲得新型二維材料和異質結構，新奇物性與應用探索。
展開 
Sci.綜述: 富勒烯-二維納米材料復合材料及其在催化、器件中的應用
4．富勒烯/過渡金屬二硫化物復合材料
圖15 C60-MoS2復合材料制備及其電子性能
圖16 C60-MoS2復合材料的光催化機理
作為另一類新型無機2D半導體納米材料，過渡金屬二硫化物(TMDs)由于其有趣的電子、光學和機械性質而引起了廣泛的關注，二硫化鉬(MoS2)是其中最具代表性的材料。單層MoS2具有約1.8eV的直接帶隙以及較高的面內載流子遷移率，在光/電催化、光伏和光電器件領域具有廣泛應用。盡管研究人員對MoS2在光催化制氫領域中的作用進行了廣泛的研究，但即使是單層MoS2，其光催化活性也相對較低，因為只有其邊緣具有高催化活性，而其基面是無活性的。與石墨烯和g-C3N4類似，構筑MoS2與包括富勒烯在內的其他功能材料的復合材料可有效提高MoS2的光催化制氫活性。
5．富勒烯/其他二維材料的復合材料
2D h-BN是一種sp2雜化的寬帶隙半導體(5-6eV)，其具有類似于石墨烯的結構。作為間接帶隙半導體，h-BN具有獨特的電子特性、較低的介電常數、較高的導熱率和化學惰性。雖然h-BN是絕緣體，但其電子特性可以通過摻雜、取代、官能化和復合來容易地調控。鑒于C60具有較窄的帶隙，將h-BN與C60復合是調節h-BN的電子性質的有效策略。
展開 二維材料彈道雪崩現象最新成果
為了解決上述困難，南京大學電子學院王肖沐/施毅課題組與物理學院繆峰課題組緊密合作，基礎探索結合應用研究，首次在二維材料垂直異質結中提出和實現了一種新型的PN結擊穿機制：彈道雪崩。這種物理機制將量子彈道輸運與雪崩擊穿過程相結合，利用彈道輸運中電荷幾乎無散射、保持相位相干的量子特性，結合納米尺度下可控的雪崩效應，在實現載流子倍增放大的同時保持低功耗、低噪聲，有望解決傳統雪崩器件所遇到的瓶頸?；趯嶒炆蠈崿F的彈道雪崩現象，合作團隊進一步制作出了性能優異的中紅外彈道雪崩光電探測器和彈道雪崩場效應晶體管。
在這項工作中，合作團隊首先制作了高質量的硒化銦/黑磷（InSe/BP）垂直PN異質結，異質結具有原子級平整的界面和完美的晶格，團隊在該器件中觀測到5個量級電流跳變的彈道雪崩現象（圖a）?；谠搹椀姥┍垃F象的中紅外探測器展現了極高（大于1萬）的光子放大倍數，以及低于傳統雪崩光電探測器理論極限的噪聲性能（圖b）。這一器件有望在未來星地通訊、高分辨率遙感等系統中扮演重要的角色。基于該彈道雪崩機制的場效應晶體管也展現了極陡的亞閾值擺幅（低達0.25mV/dec），突破了玻爾茲曼熱發射載流子注入的極限，展現了在低功耗集成電路應用中的潛力（圖c）。為了從實驗上證明該雪崩擊穿的彈道輸運屬性，課題組進一步研究了黑磷垂直方向的低溫電子輸運性質，觀測到了Fabry-Perot量子干涉圖案（圖d），直接驗證了載流子在黑磷垂直方向亞平均自由程的溝道中的彈道輸運。該結果不僅促進了中紅外低至單光子的高靈敏探測技術的發展，而且為后摩爾時代納米電子學的發展提供了新的可能性。
彈道雪崩現象與器件應用。(a) 彈道雪崩輸出曲線，插圖：InSe/BP垂直異質結器件。(b) 彈道雪崩光電探測器的響應圖。(c)彈道雪崩場效應晶體管的場效應曲線，插圖：器件亞閾值擺幅與溫度的關系。
展開 Abaqus二維復合材料拉伸失效
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二維材料的研究現狀及未來展望
二維材料是厚度為幾納米或更小的由單層原子組成的結晶材料。這些材料中的電子可以在二維平面中自由移動，但它們在第三方向上的運動受量子力學的限制。自從第一個二維材料——石墨烯，于2004年問世以來，迄今為止已有約700種二維材料被實驗或理論認證可以穩定存在。其中部分材料已用于光伏，半導體，電極和生物監測等應用中。自十多年前發現石墨烯以來，二維層狀材料（2DLM）一直是材料研究的核心焦點。其特殊結構影響并革新了電子器件的設計，出現了前所未有特征或獨特的功能；除了石墨烯，二硫化鉬是其之后的第二種最受歡迎的二維材料。在某些情況下，二硫化鉬可以以新的方式改變石墨烯的光學和電子性質；通過控制合成二維納米結構的單晶鈣鈦礦，科學家獲得了高太陽能轉化效率的光伏材料。預計到2025年，二維材料的全球市場將達到3.9億美元。二維材料的獨特性能，特殊結構和龐大的潛在市場吸引了許多科學家的研究興趣。本文將介紹幾種二維材料的突破性研究成果。
1.“萬能的”石墨烯
（1）Janus材料的開發
Janus是羅馬神話中的“雙面門神”。它擁有兩個相反朝向的兩張臉。Janus材料也是一種有類似特征的神奇材料。如我們生活中能見到的蓮花葉，一側疏水一側疏油。Janus材料擁有雙面功能不對稱的特征，這使得它可以被用在一些特殊的領域，例如探測器，水油分離膜，藥物包裹膜，仿生膜等等。在2004年石墨烯發明以來，科學家發現擁有極好機械柔性和剛性的石墨烯片可以用來制備Janus材料。科學家通過選擇性表面對石墨烯進行改造，制造了很多納米和微米級的二維Janus材料。例如，單層石墨烯是零帶隙半導體。為了深入了解石墨烯的帶隙，科學家通過對石墨烯加氫和加鹵素進行了大量的計算。而通過非對稱工程對石墨烯加氫或鹵素，可以有效的加寬材料的能帶和改變其晶格常數以實現不同的特性。
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