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日前，南京理工大學(xué)化工學(xué)院朱俊武和熊攀老師在國際能源頂級期刊《Energy & Environmental Science》（IF：30.2）上發(fā)表了題為“Two-dimensional organic–inorganic superlattice-like heterostructures for energy storage applications”的綜述文章。通訊作者為朱俊武教授和日本國立材料科學(xué)研究機構(gòu)Takayoshi Sasaki教授，青年教授熊攀為第一作者。

近年來，關(guān)于二維材料的研究開始由二維材料本身轉(zhuǎn)向設(shè)計構(gòu)建基于單分子層納米片的人工異質(zhì)結(jié)構(gòu)。這些二維異質(zhì)體系/超晶格結(jié)構(gòu)極大豐富了2D材料的組成，為人工設(shè)計新型二維多功能納米材料提供了新思路。其中，由在垂直方向上相互交替堆疊的無機納米片組裝而成的二維超晶格是一類具有重要科學(xué)技術(shù)意義的新型人造二維材料。與無機材料相比，有機材料可以通過對官能團進行調(diào)控設(shè)計，使得能夠獲得的有機材料幾乎具有無限種可能。因此，在這種二維超晶格體系中引入有機分子，能夠進一步為設(shè)計和合成具有多功能的二維有機-無機雜化超晶格結(jié)構(gòu)提供了無限可能。

在二維有機-無機雜化超晶格結(jié)構(gòu)中，有機和無機成分在納米或亞納米尺度上進行復(fù)合，兩者之間通過分子層面上產(chǎn)生的界面協(xié)同效應(yīng)使得最終產(chǎn)物發(fā)生性能上的提升甚至是產(chǎn)生新的性質(zhì)。對于高性能能源存儲器件而言，通過有效復(fù)合導(dǎo)電有機聚合物納米片層和電化學(xué)活性的無機納米片所形成的二維有機-無機雜化超晶格結(jié)構(gòu)具有重要的應(yīng)用前景。

一方面，導(dǎo)電有機聚合物納米片層的插入顯著增加了層狀無機主體的層間距，導(dǎo)致電荷傳輸增強。另一方面，導(dǎo)電有機聚合物納米片層提供了額外的電荷存儲活性位點，使得容量大大提升。更重要的是，無機納米片和導(dǎo)電有機聚合物納米片層之間在分子尺度的相互作用增強了層狀結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，因此所獲得的二維有機-無機雜化超晶格結(jié)構(gòu)在長時間的可逆離子嵌入/脫出反應(yīng)中保持了高的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，實現(xiàn)了長循環(huán)壽命。然而關(guān)于二維有機-無機雜化超晶格結(jié)構(gòu)的首要挑戰(zhàn)就是如何實現(xiàn)簡易有效的制備。

二維有機-無機雜化超晶格結(jié)構(gòu)的制備方法。a：有機聚合物直接插層；b：單體插層和層間聚合；c：層層組裝；d：剝離再組裝。

在正文部分，作者首先歸納了目前最主要的四種制備二維有機-無機雜化超晶格結(jié)構(gòu)的方法，其次介紹了二維有機-無機雜化超晶格結(jié)構(gòu)在電化學(xué)能源存儲系統(tǒng)上的應(yīng)用，如超級電容器，鋰/鈉/鉀離子電池和多價離子電池等，并舉例分析討論了儲能機理，最后總結(jié)了目前取得的進展和面臨的挑戰(zhàn)，并對未來的發(fā)展方向進行了簡單的展望。

該綜述歸納了課題組近年來在二維超晶格材料方面的進展，全面系統(tǒng)地總結(jié)了目前二維有機-無機雜化超晶格結(jié)構(gòu)的研究進展，為在原子/分子水平上二維異質(zhì)結(jié)構(gòu)或超晶格結(jié)構(gòu)的人工設(shè)計開辟了新的思路。

南京理工大學(xué)化工學(xué)院朱俊武和熊攀老師近年來致力于人工設(shè)計二維異質(zhì)結(jié)構(gòu)/超晶格結(jié)構(gòu)的研究，實現(xiàn)了不同維度上二維異質(zhì)結(jié)構(gòu)/超晶格的宏量制備和結(jié)構(gòu)調(diào)控，并從原子/分子尺度上闡明了二維異質(zhì)體系/超晶格結(jié)構(gòu)中的界面協(xié)同效應(yīng)對電化學(xué)儲能和催化反應(yīng)的作用機制，為其廣泛應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。該工作得到了國家自然科學(xué)基金（51772152和51902161）和校自主科研專項計劃（30919011269）的支持。

論文鏈接：

https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2020/EE/D0EE03206A

文章來源：南京理工大學(xué)化工學(xué)院

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