【引言】

二維材料的新加學概念最初是由石墨烯引入的。石墨烯是坡南一種從石墨中剝離出的單原子層碳材料，具有顯著的洋理應用各向異性和電子特性。在科學家的維材努力下，其他種類的料電超薄二維納米材料被開發出來，其中包括單層或幾層的催化材料過渡金屬二硫化物、金屬氧化物、新加學層狀雙氫氧化物、坡南六方氮化硼、洋理應用石墨氮化碳、維材金屬碳化物、料電金屬氮化物以及一系列單元素化合物，催化材料比如黑磷、新加學單層砷烯、坡南銻烯等。洋理應用這些材料具有單原子和幾個原子的厚度，層與層之間具有獨特的鍵合作用。這些材料在平面內具有很強的共價鍵合作用，以及層與層之間較弱的范德華作用。這種較弱的范德華作用使其可以很容易地從材料本體剝離形成超薄的納米片層。這些超薄的納米片層由于各向異性，會和本體材料有完全不同的性質。

二維納米材料由于層狀的性質，早期被用于潤滑劑。通過科學家的努力，二維材料憑借其電子結構和獨特的物理性質在很多方面都有應用。石墨烯是一種零能量的半金屬，因為電子高度流動，從而展現出卓越的導電性。通過調整過渡金屬和硫化物種類，過渡金屬二硫化物可以實現作為半導體、絕緣體和純金屬的屬性。絕緣體h-BN和半導體g-C₃N₄具有很好的熱穩定性和化學穩定性。二維納米材料的這些性質，使其被廣泛地應用在電子器件、傳感器和催化等方面。由于可持續能源的發展，二維材料在這些領域的應用因為受到的廣泛的關注和發展。電催化是未來清潔能源的核心，而二維材料是傳統貴金屬催化劑的很好的替代品。

二維材料在催化領域應用的潛力主要可以概括為三個方面：較大的表面積、機械性能以及很強的傳導性（熱和電）。二維材料較大的比表面積可以提供較多表面活性位點；優異的機械性能可以提供催化的持久性；熱導率可以輔助反應中產生的熱擴散。除此之外，二維材料可調控的電子性質可以控制催化的表現；因此，相對比本體材料，二維納米材料具有更好的催化穩定性和催化活性。

【成果簡介】

南洋理工大學的科學家在Nature Catalyst上，發表了題為"Charateristics and Performance of Two-Dimensional Materials for Electrocatalysis"的綜述。這篇綜述討論了這些二維材料相似之處，并強調了他們在電化學和電催化應用中的不同，以及近年來二維材料在能源相關的電催化中的應用。

【圖文導讀】

Figure 1.二維材料結構示意圖

Figure 2.二維材料的各向異性影響電子傳輸

(a).MoS₂邊緣和底部平面的示意圖

(b,c). MoS₂邊緣和底部平面的表面形貌

Figure 3.影響二維材料電子傳輸的表面表征

(a).氧化石墨烯表面官能團還原的示意圖

(b).氧化石墨烯還原后的XPS譜圖

(c).循環伏安曲線

(d,e).描述電子轉移變化的循環伏安曲線

圖4.物質傳輸影響二維材料的電催化行為

(a).MoS₂中通路的示意圖

(b).MoS₂納米片層和擁有通路的MoS₂的催化行為

圖5.增加電催化的反應活性位點

(a).雙螺旋中孔MoS₂的合成

(b).雙螺旋中孔MoS₂的TEM表征

(c).雙螺旋MoS2和MoO₃-MoS₂納米線的催化行為對比

(d).從本體LDHs上剝離納米片層

(e).本體材料和剝離的LDHs的催化行為對比

圖6.增加本征活性來增強反應中的電催化活性

(a).氮原子含量

(b).N-石墨烯中的不同氮構型

(c).N-石墨烯在氬氣和二氧化碳氣氛中的線性掃描伏安曲線

(d).N-石墨烯和氧化石墨烯法拉第效率的對比

(e).CoFe LDH納米片層剝離示意圖

(f,g).本征LDHs和剝離的LDHs的線性掃描伏安曲線的對比

【小結】

在這篇綜述中，作者討論了這些二維材料相似之處，并強調了他們在電化學和電催化應用中的不同，以及近年來二維材料在能源相關的電催化中的應用。

Charateristics and Performance of Two-Dimensional Materials for Electrocatalysis

(Nature Catalyst, 2018, DOI: 10.1038/s41929-018-0181-7)

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