近日，我院李婷婷博士在纳米能源与催化材料领域取得重要进展。相关研究成果以第一作者分别以“Two-dimensional materials for electrocatalysis and energy storage applications”(DOI: 10.1039/D2QI01911F)和“Hydrogen bond stabilized β-Ni(OH)x-SO4 interlaminar materials for highly active supercapacitors (DOI: 10.1039/D2QI01992B)”为题发表在中国化学会(CCS)、北京大学和英国皇家化学会(RSC)联合创办的《Inorganic chemistry frontiers》杂志上，该杂志目前影响因子为7.78,中科院一区top期刊。
自 2003 年发现石墨烯以来，二维 (2D) 材料（从绝缘体、半导体到导体）因其不同于大块材料的独特性质而受到深入研究。原子级厚度的二维结构赋予此类材料较大的表面积、有利的电荷转移平面和特殊的量子尺寸效应。独特的物理化学、光学和电子特性、高导热性和机械强度，以及电子限制效应使2D材料具有广泛的应用潜力，包括光/电催化、储能、晶体管和传感器等。迄今为止，除石墨烯外，已有数百种2D材料被成功制备成一个巨大的二维库，如2D过渡金属二硫化物（TMDs）、2D层状双氢氧化物（LDHs）、2D金属有机骨架（MOFs）、2D过渡金属碳化物/碳氮化物（ MXenes)、过渡金属氧化物 (TMO)、石墨碳氮化物、磷、硅烯、六方氮化硼、2D金属和2D钙钛矿，以及2D聚合物和共价有机化合物 (COF)，所有相关的2D材料如图1所示：
图1 各种类型二维材料汇总图
李婷婷博士重点关注新型2D材料及其在电催化和能源领域的最新进展，对其合理设计和应用发表系统性评论文章。2D材料由主要分布在图1周期表中突出显示的不同族群的元素组成。随着理论预测和新技术的进步，具有多层堆叠和层间不同旋转角度的2D单材料正在不断发展，并且它们展示出有趣的新特性，有时会发现前所未有的特征，除了2D单元素材料外，大多数2D材料都是由IVB到VIII族的过渡金属形成的，因为它们具有丰富的价键配位能力。基于2D化合物构建异质结可以形成多种不同的组合，在许多领域都有广泛的应用。本文详细阐述了这些2D材料的基本特性，并讨论了使这些材料适合催化及年能源存储利用的活性或机制（图2）。
图2 不同类型和配置的2D材料应用于电催化及能源存储
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https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2022/QI/D2QI01911F
Inorganic Chemistry Frontiers, 2022, 9, 6008 - 6046
Ni(OH)2被认为是一种新兴的商用先进超级电容器电极材料，但Ni(OH)2结构不稳定和失活导致其循环寿命有限，极大地限制了其实际应用。为了增强Ni(OH)2结构稳定性，改善其电化学性能，团队结合结构和价态调控等方法，成功合成开发了多孔β-Ni(OH)x-SO4层间配合物(NSO)。NSO具有扩大的平面间距和面内多孔通道，从而为充放电提供了三维可接触结构的过程（图3）。插层SO42−可以在电荷输运过程中通过氢键保留NSO的层间距，有效地将电子驱动到NSO的费米能级附近，显著增强了样品的稳定性和导电性。刚性的层间空间和面内通道使NSO在3 A g−1时表现出212.5 mAh g−1的高比容量。组装的非对称超级电容器器件在796.9 W kg−1时显示出41.2 Wh kg−1的高能量密度，在4 A g−1大电流密度下循环10,000次后容量保持率高达86.8%。
图3 NSO结构表征分析
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https://doi.org/10.1039/D2QI01992B
该研究工作得到了国家自然科学基金项目（51902281）、河南省科技攻关项目（212102210293）的大力支持。
