电化学领域中的新型二维纳米材料应用

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[摘 要]所谓的新型二维纳米材料，是指在同一维度上其尺寸在0.1～100nm，而在其他另外两个维度上可以无限延伸的新型材料。对新型二维纳米材料而言，其中最具有代表性的就是石墨烯，其表现出较为独特的结构，而且还具有良好的电子特性，在电化学领域具有巨大的应用潜力。主要探讨了新型二维纳米材料在电化学领域中的应用。
[关键词]电化学;新型二维纳米材料;应用
随着科学技术和化学工业的不断发展，各种各样的化学材料被研究制备出来，对二维纳米材料而言，最初的石墨烯经过不断发展到了二十多种，根据不同的材料组成和结构，目前二维材料可以分为金属化合物、单质类、有机框架类、无机化合物类以及盐类等类型。石墨烯具有良好的机械性能、热力学稳定性以及大比表面积等特点，相关研究者对新型二维纳米材料的研究力度也在不断地增加。新型二维纳米材料因其具有的优异的特性，在电化学领域得到了广泛的应用。
一、新型二维纳米材料在电化学能源存储领域中的应用
（一）在锂电池上的应用
锂离子电池具有高工作电压、高功率密度以及低放电速率等特点，与传统的电池相比较，其在社会各个领域中得到了广泛的应用。随着科技的不断发展，社会各领域对锂电子电池的需求也在不断地增加，对锂电子电池的性能要求也越来越高，这都促进了锂电子电池的进一步研发，在这个过程中，新型二维纳米材料因为具有较为充足的吸附位点以及更短地方扩散路径，所以在锂电子电池的研究中具有广阔的应用前景。
当前锂电子电池的研究，主要应用的二维纳米材料有石墨烯，其具有较好的导电性和较大的比表面积，能为锂电子电池的负极材料提供较高的比容量以及循环性能，所以得到广泛的应用研究;其次还有具有类石墨烯的层状结构的TMDs，可以帮助在电极中进行很好的扩散，但由于该材料具有较差的导电性，在实际的应用中往往是结合其他导电材料共同使用。
（二）在超级电容器领域中的应用
超级电容器具有功率密度高、寿命长、绿色环保等特点，也可以称作为电化学电容器。但超级电容器的发展也遇到一些生产成本高、能量密度低等问题，在该领域主要应用的新型二维材料有石墨烯以及其他二维过度金属碳化、TMDs、石墨块等材料。这些材料都具有较强的電化学性能以及高机械强度，对超级电容器的研究具有一定的促进作用。
二、在电化学传感器领域的应用
（一）光电抗氧化检测方面应用
在人类健康方面，体内的氧化活性物质与各种疾病的发生具有很大的关系，通过利用光电抗氧化检测进行高效、快速而准确的检测，具有重大的意义，而将新型二维纳米材料用作于光电检测材料，通过相应的实验证明了其良好的检测效果。二维纳米材料的应用可以实现光和电的反应，有效检测出抗氧化剂的含量。但对光电化学催化剂而言，以为其固有带隙的原因，并不能适合所有的抗氧化剂，通过合理使用易原子掺杂等手段进行调控，能有效解决这一问题。
（二）关于其他电化学传感
电化学传感器一般具有较多的优点，比如较低的成本、较高的效率、较高的灵敏度等，在社会上多个领域都得到了广泛的应用。电化学传感器的应用原理，主要是其电极表面物质与被检测物质之间的电子传递产生的电信号，新型二维纳米材料因为具有较薄的厚度、较高的导电性、以及丰富的表面活性位点等优点，比较符合电化学传感器对电极材料的要求，所以在该领域具有巨大的应用潜力。
三、新型二维纳米材料在电催化领域的应用
（一）电催化析氧
在燃料电池、电解水等能源体系中，电催化析氧是其反应的核心。一些贵金属如具有较为良好的OER催化性能，但由于成本太高，开发高效、稳定的非金属基的催化剂成为OER的研究方向。通过相应的研究发现，锰、铁和Ni基的TMDs和LDHs等材料具有更高的OER催化活性。尤其是LDHs具有较大的层间比表面积、制备方法简单等优点，得到了更为广泛的应用。
除了具有较低成本、较大比表面积的二维TMDs和LDHs材料外，其他二维材料在OER反应中具有良好的催化性能，比如等材料。在进行全电池电解水时，HER和OER所在的电解液中需要处于同一个pH体系，并且要具有较高的催化活性，但两者能呈现高催化活性的条件有所不同，所以研究具有更佳性能的新型二维纳米材料催化剂，是电池电水解发展的重要内容。
（二）电催化析氢
氢气作为一种清洁可持续的能源，成为新能源研究领域中的重点内容，其本身也具有极高的能量密度。在目前的电解水制氢中，使用的催化剂是Pt基金属，但是这种催化剂价格较高并且储存量较少，在实际应用中不能得到广泛的应用。在非金属基的电催化剂中，原子层厚度的二维纳米材料因为具有丰富的活性位点，在HER的研究中得到了广泛的应用。TMDs中的具有和Pt基相近的氢键，并且价格也相对低廉，成为HER研究中应用较广泛的二维材料。
综上所述，在电化学领域中越来越多的新型二维纳米材料得到了广泛的应用，本文主要讨论了新型二维纳米材料在锂离子电池、超级电容器、电化学传感器以及电催化等领域中的应用，充分表现了新型二维纳米材料在电化学领域具有广阔的应用前景。
参考文献：
[1]刘锐.新型二维纳米材料在电化学领域的应用[J].科技资讯，201816（12）：97-98.
[2]高利芳，宋忠乾，孙中辉，李风华，韩冬雪，牛利.新型二维纳米材料在电化学领域的应用与发展[J].应用化学，2018，35（3）：247-258.
[作者单位]
湖北科技学院
（编辑：王洁雅）