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二維六方氮化硼(2D h-BN)在能量轉(zhuǎn)換和儲(chǔ)存裝置中的應(yīng)用

信息來源：本站 | 發(fā)布日期： 2022-12-20 08:29:26 | 瀏覽量：532892

摘要：

由于二維六方氮化硼(2D h-BN)納米材料在新興能源系統(tǒng)中的廣泛應(yīng)用，其在能源工業(yè)中的重要性近年來迅速增長(zhǎng)。這是為了滿足下一代能源設(shè)備對(duì)機(jī)械和化學(xué)穩(wěn)定平臺(tái)的需求，該平臺(tái)具有出色的導(dǎo)熱性。傳統(tǒng)上，2D h-BN的電絕緣性和表面惰性限制了它們?cè)谀茉垂I(yè)中的大規(guī)模集成。然…

由于二維六方氮化硼(2D h-BN)納米材料在新興能源系統(tǒng)中的廣泛應(yīng)用，其在能源工業(yè)中的重要性近年來迅速增長(zhǎng)。這是為了滿足下一代能源設(shè)備對(duì)機(jī)械和化學(xué)穩(wěn)定平臺(tái)的需求，該平臺(tái)具有出色的導(dǎo)熱性。傳統(tǒng)上，2D h-BN的電絕緣性和表面惰性限制了它們?cè)谀茉垂I(yè)中的大規(guī)模集成。然而，表面改性、摻雜、剪裁邊緣化學(xué)以及與其他納米材料雜化的進(jìn)展為超越這些傳統(tǒng)特性鋪平了道路。目前的應(yīng)用范圍，從各種能量轉(zhuǎn)換方法(如熱電)到能量?jī)?chǔ)存(如電池)，顯示了2D h-BN納米材料在未來能源工業(yè)中的多功能性。

介紹
二維六方氮化硼(h-BN)最近成為許多應(yīng)用中的高需求能量材料，從電池中的電極和電解質(zhì)到燃料電池單元中的膜或催化劑=。如圖1a、b所示，最近一波關(guān)于2D h- BN基能源應(yīng)用的研究源于2D h-BN的高熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性、卓越的導(dǎo)熱性和電絕緣性的協(xié)同影響。

2Dh-BN的高固有機(jī)械強(qiáng)度以及隨后通過功能化增強(qiáng)的導(dǎo)電性可用于穩(wěn)定燃料電池中不同的商用電池電解質(zhì)或膜。事實(shí)上，通過改變表面化學(xué)組成來改變2Dh-BN的表面局部能量可以導(dǎo)致更高的質(zhì)子交換速率、離子電導(dǎo)率和催化活性，從而為能量應(yīng)用開發(fā)了合適的平臺(tái)。因此，從表面化學(xué)到光學(xué)透明度，h-BN的各種性質(zhì)將影響h-BN基能源設(shè)備的性能(圖1d)。
圖1.(a)根據(jù)Scopus數(shù)據(jù)庫，每年關(guān)于氫能-BN能源應(yīng)用的出版物和引文數(shù)量。(b)h-BN在能源研究中的應(yīng)用的出版物分布餅圖。(c)塊狀h-BN晶體結(jié)構(gòu)示意圖:平面內(nèi)σ鍵和跨平面范德華相互作用。(d)確定基于氫化硼的能源平臺(tái)總體性能的氫化硼特性圖。
2D氮化硼的應(yīng)用
鋰離子電池(LIBs)
2D h-BN在鋰離子電池中的應(yīng)用可以大致分為三個(gè)主要部分:(1)電極材料，(2)隔膜和(3)電解質(zhì)。眾所周知，傳統(tǒng)陽極電極的主要缺點(diǎn)，如在較高功率密度下缺乏安全性或理論電容不足(即石墨的372mAh.g-1)，可以通過將快速充電/放電率高的材料(如2D h-BN)加入電池中來解決。為了利用2D h-BN的全部能力，它經(jīng)常與其他材料雜交。
圖2.(a)FBN的循環(huán)性能和庫侖效率(插圖:FBN的一種可能的氧化還原儲(chǔ)能機(jī)制)。分別為(b，c) PP和(d，e) F-BN-PP隔板的電解質(zhì)-隔板接觸角和俯視SEM圖像。(f)LMO-石墨烯||Li電池分別在0.5C和0.2-15C下的倍率性能。(g)基于2D h-BN基電解質(zhì)組裝的鈦酸鋰(LTO)半電池的循環(huán)穩(wěn)定性曲線600次循環(huán)后120℃。
電極分離是2D h-BN在LIBs中的另一個(gè)主要應(yīng)用。隔膜是電極之間的物理屏障，它的存在對(duì)于防止短路和控制充放電循環(huán)過程中的離子遷移至關(guān)重要。
薄膜
直接甲醇燃料電池(DMFC)作為燃料電池家族的重要成員，面臨著一些技術(shù)問題，例如甲醇通過聚合物電解質(zhì)膜(PEM)，甲醇氧化和氧還原反應(yīng)緩慢。甲醇滲透通過在陰極產(chǎn)生混合電勢(shì)降低了DMFCs的效率。不希望的氧化、減少陰極氧還原的活性位點(diǎn)以及陰極催化劑的一氧化碳中毒是其他甲醇交叉挑戰(zhàn)。Nafion是DMFCs中最常用的質(zhì)子交換膜。盡管甲醇具有極高的質(zhì)子傳導(dǎo)率和出色的化學(xué)、熱及機(jī)械穩(wěn)定性。降低Nafion中甲醇滲透的一種嘗試是使用2D h-BN作為增強(qiáng)材料。B和N的極化共價(jià)鍵導(dǎo)致價(jià)電子在N原子周圍聚集，并產(chǎn)生不均勻分布的電子云，從而導(dǎo)致高質(zhì)子電導(dǎo)率。這種高質(zhì)子傳導(dǎo)率以及其大表面積、低密度、熱機(jī)械穩(wěn)定性、阻隔效應(yīng)和優(yōu)異的耐化學(xué)性，使得2D h-BN成為DMFCs中使用的PEM填料的絕佳候選材料。
太陽能電池
太陽能光伏技術(shù)被認(rèn)為是主流的可再生技術(shù)，具有產(chǎn)生清潔、可靠、可擴(kuò)展和負(fù)擔(dān)得起的電力的巨大潛力。然而，從材料工程的角度來看，關(guān)于電路設(shè)計(jì)，許多問題仍然需要解決。在這方面，2D層狀材料因其獨(dú)特的電學(xué)和光學(xué)特性而一直處于太陽能電池行業(yè)的前沿。然而，基于2D材料的太陽能電池的性能可能會(huì)受到環(huán)境條件的干擾，如某些氣體和濕度，這表明需要保護(hù)層。在過去的十年里，科學(xué)家們已經(jīng)在各種太陽能電池中使用2D h-BN來鈍化活性材料的表面或設(shè)計(jì)異質(zhì)結(jié)太陽能電池的界面。這些獨(dú)特的特性，如無懸掛鍵、大的帶隙、優(yōu)異的化學(xué)和熱穩(wěn)定性、優(yōu)異的結(jié)晶度、中等介電常數(shù)，以及在不影響其整體性能的情況下易于轉(zhuǎn)移到基底，使2D h-BN成為這種應(yīng)用的首選。

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