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二維六方氮化硼(2D h-BN)在能量轉換和儲存裝置中的應用

信息來源：本站 | 發(fā)布日期： 2022-12-20 08:29:26 | 瀏覽量：614409

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)中的廣泛應用，其在能源工業(yè)中的重要性近年來迅速增長。這是為了滿足下一代能源設備對機械和化學穩(wěn)定平臺的需求，該平臺具有出色的導熱性。傳統(tǒng)上，2D h-BN的電絕緣性和表面惰性限制了它們在能源工業(yè)中的大規(guī)模集成。然而，表面改性、摻雜、剪裁邊緣化學以及與其他納米材料雜化的進展為超越這些傳統(tǒng)特性鋪平了道路。目前的應用范圍，從各種能量轉換方法(如熱電)到能量儲存(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)最近成為許多應用中的高需求能量材料，從電池中的電極和電解質到燃料電池單元中的膜或催化劑=。如圖1a、b所示，最近一波關于2D h- BN基能源應用的研究源于2D h-BN的高熱穩(wěn)定性和化學穩(wěn)定性、卓越的導熱性和電絕緣性的協(xié)同影響。

2Dh-BN的高固有機械強度以及隨后通過功能化增強的導電性可用于穩(wěn)定燃料電池中不同的商用電池電解質或膜。事實上，通過改變表面化學組成來改變2Dh-BN的表面局部能量可以導致更高的質子交換速率、離子電導率和催化活性，從而為能量應用開發(fā)了合適的平臺。因此，從表面化學到光學透明度，h-BN的各種性質將影響h-BN基能源設備的性能(圖1d)。

圖1.(a)根據(jù)Scopus數(shù)據(jù)庫，每年關于氫能-BN能源應用的出版物和引文數(shù)量。(b)h-BN在能源研究中的應用的出版物分布餅圖。(c)塊狀h-BN晶體結構示意圖:平面內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總體性能的氫化硼特性圖。

2D氮化硼的應用

鋰離子電池(LIBs)

2D h-BN在鋰離子電池中的應用可以大致分為三個主要部分:(1)電極材料，(2)隔膜和(3)電解質。眾所周知，傳統(tǒng)陽極電極的主要缺點，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能機制)。分別為(b，c) PP和(d，e) F-BN-PP隔板的電解質-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中的另一個主要應用。隔膜是電極之間的物理屏障，它的存在對于防止短路和控制充放電循環(huán)過程中的離子遷移至關重要。

薄膜

直接甲醇燃料電池(DMFC)作為燃料電池家族的重要成員，面臨著一些技術問題，例如甲醇通過聚合物電解質膜(PEM)，甲醇氧化和氧還原反應緩慢。甲醇滲透通過在陰極產(chǎn)生混合電勢降低了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中最常用的質子交換膜。盡管甲醇具有極高的質子傳導率和出色的化學、熱及機械穩(wěn)定性。降低Nafion中甲醇滲透的一種嘗試是使用2D h-BN作為增強材料。B和N的極化共價鍵導致價電子在N原子周圍聚集，并產(chǎn)生不均勻分布的電子云，從而導致高質子電導率。這種高質子傳導率以及其大表面積、低密度、熱機械穩(wěn)定性、阻隔效應和優(yōu)異的耐化學性，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

太陽能光伏技術被認為是主流的可再生技術，具有產(chǎn)生清潔、可靠、可擴展和負擔得起的電力的巨大潛力。然而，從材料工程的角度來看，關于電路設計，許多問題仍然需要解決。在這方面，2D層狀材料因其獨特的電學和光學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，這表明需要保護層。在過去的十年里，科學家們已經(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計異質結太陽能電池的界面。這些獨特的特性，如無懸掛鍵、大的帶隙、優(yōu)異的化學和熱穩(wěn)定性、優(yōu)異的結晶度、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移到基底，使2D h-BN成為這種應用的首選。

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