電化學儲能技術的發展受到反應動力學緩慢和循環穩定性不佳的嚴重限制。因此，具有特定結構和組件功能的電極材料的精心設計在增強固有活性方面起著關鍵作用。特別地，近年來，限制在超薄二維骨架（SAs @ 2D）中的單原子催化劑得到了迅速的發展。超薄載體和孤立的原子位點之間的協同效應誘導強烈的電子相互作用，形成大量的配位不飽和中心。由于優化的電子結構和暴露的活性位點，SAs@2D雜化電極可作為各種新型電池的高效多功能電極材料。
有鑒于此，山東大學尹龍衛教授等人，系統地總結了近年來國內外合成SAs@2D雜化的新方法，如缺陷工程策略、配位工程策略和原子替代策略。提出了通過配位幾何和金屬-載體相互作用對催化能力和長期耐久性的結構-活性機理的當前理解。然后詳細討論了基于SAs@2D雜化的電化學儲能應用。展望了SAs@2D在可充電電池領域的挑戰和未來前景。
本文要點
1）多樣化的電化學儲能系統在很大程度上依賴于電極材料的結構。將單原子催化劑與二維(2D)基底相結合(SAs@2D)，可以提供具有大量外部缺陷的主-客體相互作用所帶來的優異性能。然而，關于SAs@2D的各種儲能裝置的內在工作機制和控制機理還有待進一步研究。i）可控制備。a），盡管進行了許多出色的試驗，但仍無法很好地實現在可控配位幾何結構中準確設計摻雜位點和分散均勻性的工作。b），實際質量負載是SAs工程的另一個必不可少的指標，它控制著催化位點的密度，從而決定了電化學活性。通常認為摻雜含量與催化能力正相關。然而，過量的摻雜不可避免地導致惰性金屬聚集體或團簇，阻礙了對真正活性增強的探索。c）保持范德華相互作用和均勻分散而不團聚之間的平衡對于確保金屬-非金屬活性中心的充分暴露，特別是在體積變化劇烈的長期循環中，也具有極其重要的意義。d），迫切需要開發出有效但又容易實現的合成策略，以滿足可擴展的工業生產。
2）ii）成分控制。a）在討論客原子時，相對于被廣泛研究的金屬SAs，對于非金屬(除了B, N, F, P, S輕元素)SAs的研究在一定程度上被忽略了。大量的非金屬摻雜也會引起自旋態的差異，從而提高催化活性。iii) 擴展應用領域。相對于催化領域中以各種方法對SAs@2D雜化的深入研究，其在電化學儲能領域的應用仍有廣闊的研究空間。特別是，用于可充電電池的絕大部分電極材料都集中在含碳物質上。iv）深入機制研究。對于各種電池，雜質摻雜與電化學相變以及性能提升之間的關系的深入理解還處于起步階段。
參考文獻：
Peng Wang et al. Two-dimensional matrices confining metal single atoms with enhanced electrochemical reaction kinetics for energy storage applications. Energy Environ. Sci., 2020.
DOI: 10.1039/D0EE02651D
https://doi.org/10.1039/D0EE02651D
