發(fā)布時(shí)間：2022年12月30日
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當(dāng)今世界的許多革命性發(fā)現(xiàn)都是受到了大自然的啟發(fā)。在材料科學(xué)領(lǐng)域，自然事物和生物材料的高度有序、多樣化和獨(dú)特的結(jié)構(gòu)吸引了研究人員通過(guò)材料化學(xué)手段在納米材料中復(fù)制和模仿。從自然界中汲取靈感，設(shè)計(jì)具有合適取向、高度有序的結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的機(jī)械穩(wěn)定性，同時(shí)又能獲得較高能量和功率密度的納米材料，一直是電極材料的研究熱點(diǎn)。許多以自然為靈感的產(chǎn)品也已商業(yè)化。例如，受植物光合作用的啟發(fā)，人工光合作用已被陸續(xù)用于收集太陽(yáng)能，生物啟發(fā)的水凈化系統(tǒng)，受蜘蛛制絲過(guò)程啟發(fā)的蛋白質(zhì)生產(chǎn)等。此外，人們還探索了以自然為靈感的材料設(shè)計(jì)，以生產(chǎn)可再生資源，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)、低成本的電極材料開(kāi)發(fā)。
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本文亮點(diǎn)
1. 對(duì)各種仿生以及仿人體納米結(jié)構(gòu)作為超級(jí)電容電極材料的相關(guān)研究做了系統(tǒng)的總結(jié)。
2. 總結(jié)了超級(jí)電容器電化學(xué)結(jié)構(gòu)的形成和應(yīng)用。
3. 提出了仿生以及仿人體納米結(jié)構(gòu)作為超級(jí)電容電極材料的未來(lái)發(fā)展方向，如規(guī)模化生產(chǎn)和其它性能的改進(jìn)。
內(nèi)容簡(jiǎn)介
人類(lèi)文明的發(fā)展不斷受到大自然的啟發(fā)。從鳥(niǎo)類(lèi)到飛機(jī)和子彈頭列車(chē)，大自然為我們提供了許多新的視角，促進(jìn)了微納米結(jié)構(gòu)的發(fā)展。仿生結(jié)構(gòu)被認(rèn)為是電極材料中可廣泛應(yīng)用的一種有利結(jié)構(gòu)，特別是在儲(chǔ)能應(yīng)用中。香港城市大學(xué)張開(kāi)黎課題組在這篇綜述中討論了影響仿生納米結(jié)構(gòu)形成的不同因素和特定條件，全面評(píng)估和整理了各種仿生納米結(jié)構(gòu)用于超級(jí)電容器的最新研究進(jìn)展，并對(duì)其未來(lái)發(fā)展進(jìn)行了展望。
圖文導(dǎo)讀
I 仿生納米結(jié)構(gòu)分類(lèi)
根據(jù)仿生(自然)納米結(jié)構(gòu)(蜂巢、蜘蛛網(wǎng)、刺猬、胡須、毛毛蟲(chóng)和蠕蟲(chóng)、鳥(niǎo)巢和羽毛)和仿人體的納米結(jié)構(gòu)(脊柱、手指、DNA和樹(shù)突)對(duì)各類(lèi)仿生納米結(jié)構(gòu)進(jìn)行分類(lèi)(圖1)。
II 仿生結(jié)構(gòu): 合成、結(jié)構(gòu)組成和電化學(xué)系統(tǒng)的應(yīng)用
0D、1D、2D和3D結(jié)構(gòu)的形成屬于結(jié)構(gòu)的維度增長(zhǎng)范疇，在晶體的形成機(jī)理及其形態(tài)中被廣泛研究。Tiwari等將不同的納米結(jié)構(gòu)材料分類(lèi)為零維，如均勻粒子陣列(量子點(diǎn))、異質(zhì)粒子陣列、核殼量子點(diǎn)、洋蔥/空心球體和納米透鏡；一維，如納米線(xiàn)、納米棒、納米管和納米帶；二維，如結(jié)(連續(xù)島)、分支結(jié)構(gòu)、納米膜、納米板、納米片、納米壁和納米盤(pán)；三維，如納米球(樹(shù)枝狀結(jié)構(gòu))、納米線(xiàn)圈、納米錐、納米柱和納米花。研究者們合成了類(lèi)似樹(shù)木、蜂巢、花朵、海膽等的一維、二維和三維納米結(jié)構(gòu)的重疊和組合，并可作為SCs的有效電極材料。選擇不同前驅(qū)體和合成方法，活性電極材料結(jié)構(gòu)可擁有更大的表面積 (表1)。在本節(jié)中，我們討論了最近報(bào)道的仿生納米結(jié)構(gòu)的合成方法及電化學(xué)性能。本節(jié)根據(jù)動(dòng)物仿生的納米結(jié)構(gòu)(蜂巢，鳥(niǎo)巢，蜘蛛網(wǎng)，刺猬，胡須，毛毛蟲(chóng)和蠕蟲(chóng)，羽毛樣)和人體仿生的納米結(jié)構(gòu)(脊柱，手指，DNA，和樹(shù)突樣)分為2組。
2.1 動(dòng)物仿生結(jié)構(gòu)
2.1.1 蜂巢狀結(jié)構(gòu)
2.1.2 蜘蛛網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)
2.1.3 刺猬結(jié)構(gòu)
2.1.4 晶須狀結(jié)構(gòu)
2.1.5 毛蟲(chóng)和蠕蟲(chóng)狀結(jié)構(gòu)
2.1.6 羽狀結(jié)構(gòu)
2.1.7 巢狀結(jié)構(gòu)
2.2 仿人體結(jié)構(gòu)
2.2.1 脊柱狀結(jié)構(gòu)
2.2.2 指狀結(jié)構(gòu)
2.2.3DNA狀結(jié)構(gòu)
2.2.4 樹(shù)突狀結(jié)構(gòu)
III 展望與結(jié)論
這篇綜述強(qiáng)調(diào)了仿生材料在納米級(jí)SC應(yīng)用中的重要性。不同維度的材料可以通過(guò)不同工藝來(lái)制造、定制和開(kāi)發(fā)，以構(gòu)建相互連接和分層的仿生納米結(jié)構(gòu)，作為電極材料具有很高的價(jià)值。高孔隙率的自然材料是可行的儲(chǔ)能應(yīng)用材料，然而這類(lèi)材料也存在一些不足之處，可作為今后的研究方向。
1. 大規(guī)模生產(chǎn)這種以自然為靈感且具有成本效益的材料是相當(dāng)復(fù)雜的。例如，金屬前體表現(xiàn)出相當(dāng)優(yōu)異的電化學(xué)性質(zhì)。若商業(yè)規(guī)模生產(chǎn)金屬基電極材料，必須考慮這些貴金屬的長(zhǎng)期可用性以及成本。此外，這種材料的大規(guī)模下的精確生產(chǎn)也極具挑戰(zhàn)性。在這方面，3D打印技術(shù)具有復(fù)制自然結(jié)構(gòu)的能力。打印出的產(chǎn)品還具有很高的柔韌性，可用于制造柔性和可拉伸的超級(jí)電容器。
2.結(jié)構(gòu)和形態(tài)外的其他因素，如電極材料的性質(zhì)，電解質(zhì)的選擇、粘結(jié)劑的使用，也對(duì)電極材料的電化學(xué)性能起著重要作用。EDLC型和贗電容型材料與仿生結(jié)構(gòu)相結(jié)合，可提高電容性能。
3.深入探究仿生材料的電荷存儲(chǔ)機(jī)制。原位TEM、原位XRD、原位拉曼光譜、原位XPS等原位表征技術(shù)可以成為材料表征中的關(guān)鍵手段。
4.仿生材料的電化學(xué)性能可通過(guò)操縱單個(gè)組分的界面相互作用來(lái)調(diào)節(jié)。然而相關(guān)的理論機(jī)制有待研究。
5.可進(jìn)一步探究基于二維材料(如MXene)的仿生結(jié)構(gòu)材料。
6.EDLC，贗電容和電池型電極材料的差異研究；對(duì)稱(chēng)、不對(duì)稱(chēng)和混合SC器件的探究；如前面所討論的，應(yīng)選擇合適的勢(shì)/電壓窗口以及計(jì)算能量密度的方程。
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