介孔材料在电化学能量存储和转换中的应用及展望

先进的能量存储和转换系统迫切需要开发与之匹配的高性能电极材料。介孔材料由于其独特的结构特征,在构建具有高功率密度,长寿命,高界面活性和增强的反应动力学的高性能电极上显示出巨大的潜力。鉴于此,复旦大学赵东元院士、李伟教授综述了介孔材料在电化学能量转换和存储器件中最新研究进展,系统阐述了介孔电极表现出的构效关系,并提出了介孔材料在这一领域的研究挑战和发展前景。

复旦大学赵东元院士、李伟教授《AEM》综述:介孔材料在电化学能量存储和转换中的应用及展望

为了减轻环境污染和能源危机,急需发展高性能电化学存储和转换装置。其中开发与之匹配的高性能电极材料至关重要,是电化学能量存储和转换器件的核心组件,在性能方面发挥决定性的作用。

介孔材料具有独特的结构,包括高比表面积、大的孔体积、可调节的孔径以及可控的形貌,在诸如吸附、催化以及能量存储等过程中表现出优异的性质,例如,高的比表面积可增加反应活性位点,大的孔径能提高反应物和产物的传输效率,以及纳米孔墙壁呈现出小尺寸效应等。此外,介孔材料为诸多基础电化学能量存储和转换领域提供了良好的研究模型,如微纳尺度的传质动力学、电荷转移和存储机理以及介孔纳米受限空间下界面电化学反应等方面。

近日,复旦大学赵东元院士、李伟教授总结了介孔材料在电化学能量存储和转换领域的最新的研究进展,在Advanced Energy Materials上发表了题为“Mesoporous Materials forElectrochemical Energy Storage and Conversion”的综述论文(DOI:10.1002/aenm.202002152),该文第一作者为祖连海博士和张威博士。

复旦大学赵东元院士、李伟教授《AEM》综述:介孔材料在电化学能量存储和转换中的应用及展望
图1.介孔材料的结构特征及其主要相关特性。介孔材料结构特征:a)孔径可控,b)框架结构可调,c)形态多样。主要相关特性:d)促进传质e)增加界面反应位点,f) 提供限域效应g)提供应变空间。
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图2.介孔材料在电池领域的应用。a)离子在介孔电极中扩散的示意图, b)介孔电极内的主要内阻的示意图, c-e)有序介孔OM-Ti3+-Li4Ti5O12的结构和电化学性能, f-g)介孔Li-C负极中自平滑行为的表征和结构演变过程。
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图3.介孔材料在超级电容器领域的应用。a)介孔碳(左)和微孔/介孔碳(右)内的双电层的模型,b)表面氧化还原赝电容模型,及c)离子插层赝电容模型, d-e)有序介孔碳的结构表征和电化学性能,f-g)表面氧化还原赝电容模型—自组装法合成的垂直介孔扩散路径的MXene电极的示意图及相应性能,h-i)离子插层赝电容模型—有序介孔α-MoO3的结构表征和电化学性能。
复旦大学赵东元院士、李伟教授《AEM》综述:介孔材料在电化学能量存储和转换中的应用及展望
图4.介孔材料在电解槽和燃料电池领域的应用。a)电解槽和燃料电池的工作示意图。b)在介孔载体上分散的催化剂的颗粒间距(d)与德拜长度(LD)的对应关系,c-d)限域在介孔内的催化剂及其电解水产氢性能, e-f)介孔Ir纳米片的结构表征和水氧化性能,g)孔径可调的介孔碳基材料的结构表征和氧还原性能。
复旦大学赵东元院士、李伟教授《AEM》综述:介孔材料在电化学能量存储和转换中的应用及展望
图5. 介孔材料的合成-结构-性质的内在关系,及其在能源存储和转换中的可能发展策略。

论文从介孔材料的合成、结构、性能及其在电化学存储和转换应用的内在构效关系方面进行了深入讨论和综述。重点介绍了介孔材料的结构特性及其在可充电电池、超级电容器、燃料电池和电解槽中发挥的关键作用,为高性能介孔电极的构造提供了独特的见解和评论。最后,作者针对电化学能源存储和转换领域急需解决的重要问题,从介孔材料的合成策略、界面工程和结构工程角度提出了相应的解决方法和发展前景。

该篇综述,为未来能量转换与能量储存领域中介孔材料可能发挥的作用进行了阐述,为今后人们在新能源领域了解和运用介孔材料提供思路。作者认为介孔电极在储能和转换器件的开发过程中仍面临诸多挑战,但将持续发挥重要作用。

通讯作者简介:

赵东元,中国科学院院士,复旦大学教授、校学术委员会主任、先进材料实验室主任。2000年被聘为教育部“长江学者奖励计划”特聘教授;2006年入选“新世纪百千万人才工程”国家级人选;2007年当选中国科学院院士;2010年当选第三世界科学院院士。主要从事介孔材料合成、结构和机理的物理化学及其催化研究,先后开创多种介孔材料合成新路线,发明一系列热稳定、大孔径有序介孔氧化物材料、介孔高分子和碳材料,在介孔分子筛结构、外貌控制及多相组装机理等方面形成独特见解,为介孔材料的发展和应用做出了杰出的贡献。在《Nature》《Science》等杂志发表SCI论文650余篇,论文引用次数近11万次。曾获国家自然科学二等奖、教育部自然科学一等奖、国际介观结构材料协会成就奖、世界科学院科学奖等多项国内国际大奖。兼任国际介观结构材料协会主席、ACS Central Science 执行主编等职位。

李伟,复旦大学化学系教授,国家重点研发计划首席科学家,2008年本科毕业于黑龙江大学,师从付宏刚教授,2014年博士毕业于复旦大学,师从赵东元院士,主要从事功能介孔材料的定向合成、功能设计、结构调控及其在能量转化与储存应用方面的研究。已发表 SCI论文120余篇,其中以第一或通讯作者在J. Am.Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.等期刊上发表论文60余篇,论文总他引12000余次,H因子52,25篇论文入选ESI高被引论文。曾获得2016年上海市优秀博士论文奖、2017年度教育部自然科学一等奖(第三完成人)、2019年ClarivateAnalytics “高被引科学家”,入选2016年上海市青年拔尖人才、2017年上海市青年科技启明星、2017年上海市东方学者和2018年上海市千人、2019年教育部青年长江学者等。

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