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二维六方氮化硼(2D h-BN)在能量转换和储存装置中的应用

信息来源：本站 | 发布日期： 2022-12-20 08:29:26 | 浏览量：370336

摘要：

由于二维六方氮化硼(2D h-BN)纳米材料在新兴能源系统中的广泛应用，其在能源工业中的重要性近年来迅速增长。这是为了满足下一代能源设备对机械和化学稳定平台的需求，该平台具有出色的导热性。传统上，2D h-BN的电绝缘性和表面惰性限制了它们在能源工业中的大规模集成。然…

由于二维六方氮化硼(2D h-BN)纳米材料在新兴能源系统中的广泛应用，其在能源工业中的重要性近年来迅速增长。这是为了满足下一代能源设备对机械和化学稳定平台的需求，该平台具有出色的导热性。传统上，2D h-BN的电绝缘性和表面惰性限制了它们在能源工业中的大规模集成。然而，表面改性、掺杂、剪裁边缘化学以及与其他纳米材料杂化的进展为超越这些传统特性铺平了道路。目前的应用范围，从各种能量转换方法(如热电)到能量储存(如电池)，显示了2D h-BN纳米材料在未来能源工业中的多功能性。

介绍

二维六方氮化硼(h-BN)最近成为许多应用中的高需求能量材料，从电池中的电极和电解质到燃料电池单元中的膜或催化剂=。如图1a、b所示，最近一波关于2D h- BN基能源应用的研究源于2D h-BN的高热稳定性和化学稳定性、卓越的导热性和电绝缘性的协同影响。

2Dh-BN的高固有机械强度以及随后通过功能化增强的导电性可用于稳定燃料电池中不同的商用电池电解质或膜。事实上，通过改变表面化学组成来改变2Dh-BN的表面局部能量可以导致更高的质子交换速率、离子电导率和催化活性，从而为能量应用开发了合适的平台。因此，从表面化学到光学透明度，h-BN的各种性质将影响h-BN基能源设备的性能(图1d)。

图1.(a)根据Scopus数据库，每年关于氢能-BN能源应用的出版物和引文数量。(b)h-BN在能源研究中的应用的出版物分布饼图。(c)块状h-BN晶体结构示意图:平面内σ键和跨平面范德华相互作用。(d)确定基于氢化硼的能源平台总体性能的氢化硼特性图。

2D氮化硼的应用

锂离子电池(LIBs)

2D h-BN在锂离子电池中的应用可以大致分为三个主要部分:(1)电极材料，(2)隔膜和(3)电解质。众所周知，传统阳极电极的主要缺点，如在较高功率密度下缺乏安全性或理论电容不足(即石墨的372mAh.g-1)，可以通过将快速充电/放电率高的材料(如2D h-BN)加入电池中来解决。为了利用2D h-BN的全部能力，它经常与其他材料杂交。

图2.(a)FBN的循环性能和库仑效率(插图:FBN的一种可能的氧化还原储能机制)。分别为(b，c) PP和(d，e) F-BN-PP隔板的电解质-隔板接触角和俯视SEM图像。(f)LMO-石墨烯||Li电池分别在0.5C和0.2-15C下的倍率性能。(g)基于2D h-BN基电解质组装的钛酸锂(LTO)半电池的循环稳定性曲线600次循环后120℃。

电极分离是2D h-BN在LIBs中的另一个主要应用。隔膜是电极之间的物理屏障，它的存在对于防止短路和控制充放电循环过程中的离子迁移至关重要。

薄膜

直接甲醇燃料电池(DMFC)作为燃料电池家族的重要成员，面临着一些技术问题，例如甲醇通过聚合物电解质膜(PEM)，甲醇氧化和氧还原反应缓慢。甲醇渗透通过在阴极产生混合电势降低了DMFCs的效率。不希望的氧化、减少阴极氧还原的活性位点以及阴极催化剂的一氧化碳中毒是其他甲醇交叉挑战。Nafion是DMFCs中最常用的质子交换膜。尽管甲醇具有极高的质子传导率和出色的化学、热及机械稳定性。降低Nafion中甲醇渗透的一种尝试是使用2D h-BN作为增强材料。B和N的极化共价键导致价电子在N原子周围聚集，并产生不均匀分布的电子云，从而导致高质子电导率。这种高质子传导率以及其大表面积、低密度、热机械稳定性、阻隔效应和优异的耐化学性，使得2D h-BN成为DMFCs中使用的PEM填料的绝佳候选材料。

太阳能电池

太阳能光伏技术被认为是主流的可再生技术，具有产生清洁、可靠、可扩展和负担得起的电力的巨大潜力。然而，从材料工程的角度来看，关于电路设计，许多问题仍然需要解决。在这方面，2D层状材料因其独特的电学和光学特性而一直处于太阳能电池行业的前沿。然而，基于2D材料的太阳能电池的性能可能会受到环境条件的干扰，如某些气体和湿度，这表明需要保护层。在过去的十年里，科学家们已经在各种太阳能电池中使用2D h-BN来钝化活性材料的表面或设计异质结太阳能电池的界面。这些独特的特性，如无悬挂键、大的带隙、优异的化学和热稳定性、优异的结晶度、中等介电常数，以及在不影响其整体性能的情况下易于转移到基底，使2D h-BN成为这种应用的首选。

转载请注明出处（二维六方氮化硼(2D h-BN)在能量转换和储存装置中的应用： http://www.np-materials.com/news/1013.html )

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