PDF《面向高性能能源应用的碳纳米材料结构调控》

注:本译文仅供学术传播使用,所有版权属于原文出版机构 Wiley 出版社 面向高性能能源应用的碳纳米材料结构调控 摘要:碳纳米材料具备优异的导电性及导热性、良好的力学性能和高比表面积等 诸多优点,被认为是高性能能源应用的理想选择之一.

研究证明,碳纳米材料的 电化学性能很大程度取决于其电子结构及微观结构,可以通过合理的缺陷工程、 异质原子掺杂、 异质结构耦合和孔结构构造等方法进行精确调控, 从而改善活性 位点的特性并促进离子或电子转移. 本文总结了面向高性能电催化和超级电容器 等应用方向的碳材料纳米结构调控研究成果,重点关注合成策略、先进表征及对 结构-性能关系的深入分析.本文还论述了各种用于调控碳纳米材料的设计及检 测方法, 所面临的挑战和发展机遇,希望能够进一步提高对能量储存和转化领域 一些问题的基本理解和实际应用. 关键词:碳纳米材料;

电子结构;

高性能能源应用;

微观结构;

结构-性能关系 1.介绍 促进可持续能源的综合利用,是应对能源枯竭和环境恶化挑战的策略之一. 普遍认为电化学过程是能在不产生额外污染物的条件下, 实现化学能源和电力转 换的一个重要手段.至今为止,通过对电化学过程的努力研究,使得便携式电子 设备、氢能源汽车和其他新型能源装置得到广泛的应用.然而,几个关键挑战还 尚需要克服. 例如, 超级电容器通过在电极材料表面吸附离子来储存电荷并实现 高功率输出, 但是其应用却受制于相比于电池更低的能量密度. 而电解水系统和 类似装置的性能则受制于电极上某些重要电催化反应相关的缓慢动力学过程. 随 着纳米科学和纳米技术的快速发展, 大量不同种类的纳米材料被用来降低能量势 垒并调制反应速率, 从而更加有效实现电化学反应的最终目标.回顾以前的研究 可以认为, 纳米材料的微观结构和电子结构是决定能量储存和转化器件的性能一 个重要因素.因此,精确调控纳米材料的结构,并建立起对结构-性能关系的基 本理解至关重要. 在众多的纳米材料中, 碳纳米材料和结构因其具备丰富的结构特征和引人注 目的性能受到了广泛研究, 并显著提高了能量储存和转化器件的综合性能.碳原 子间结合形成牢固共价键,所形成的不同杂化态(sp、sp2 和sp3 )赋予了碳各种 同素异形体显著差异的物理化学性质.其中 sp2 杂化碳纳米材料,如一维碳纳米 管和二维石墨烯, 因其具备良好的导电性及热导性、优异的力学性能和高比表面 积等特点,在能量相关应用占据重要地位.例如,最近兴起的金属有机骨架和共 价有机骨架化合物被用作牺牲模板,以制备不同的碳纳米材料,这一方法进一步 优化了碳纳米材料的性能, 特别在于构造高比表面积和高孔隙体积导致的分级多 注:本译文仅供学术传播使用,所有版权属于原文出版机构 Wiley 出版社 孔结构,进而促进了高性能能源应用的发展.另一方面,具备独特性质的碳纳米 材料常被用作活性电极或活性材料载体, 以促进体系电子转移并扩大与电解质的 接触面积.更重要的是,碳纳米材料可以很容易地通过引入本征缺陷、掺杂原子 和官能团来调整其表面性质,这为进一步合理设计先进碳基电极材料提供了契 机,并将有助于更好地理解结构-性能之间的关系. 研究人员已经发展了多种原则和策略, 来调控碳纳米材料的电子结构和微观 形貌.这些工作主要可以分为:1)利用缺陷以实现暴露更多的活性位点;