南京理工大学EES综述：二维有机-无机杂化超晶格结构研究进展

日前，南京理工大学化工学院朱俊武和熊攀老师在国际能源顶级期刊《Energy & Environmental Science》（IF：30.2）上发表了题为“Two-dimensional organic–inorganic superlattice-like heterostructures for energy storage applications”的综述文章。通讯作者为朱俊武教授和日本国立材料科学研究机构Takayoshi Sasaki教授，青年教授熊攀为第一作者。

近年来，关于二维材料的研究开始由二维材料本身转向设计构建基于单分子层纳米片的人工异质结构。这些二维异质体系/超晶格结构极大丰富了2D材料的组成，为人工设计新型二维多功能纳米材料提供了新思路。其中，由在垂直方向上相互交替堆叠的无机纳米片组装而成的二维超晶格是一类具有重要科学技术意义的新型人造二维材料。与无机材料相比，有机材料可以通过对官能团进行调控设计，使得能够获得的有机材料几乎具有无限种可能。因此，在这种二维超晶格体系中引入有机分子，能够进一步为设计和合成具有多功能的二维有机-无机杂化超晶格结构提供了无限可能。

在二维有机-无机杂化超晶格结构中，有机和无机成分在纳米或亚纳米尺度上进行复合，两者之间通过分子层面上产生的界面协同效应使得最终产物发生性能上的提升甚至是产生新的性质。对于高性能能源存储器件而言，通过有效复合导电有机聚合物纳米片层和电化学活性的无机纳米片所形成的二维有机-无机杂化超晶格结构具有重要的应用前景。

一方面，导电有机聚合物纳米片层的插入显著增加了层状无机主体的层间距，导致电荷传输增强。另一方面，导电有机聚合物纳米片层提供了额外的电荷存储活性位点，使得容量大大提升。更重要的是，无机纳米片和导电有机聚合物纳米片层之间在分子尺度的相互作用增强了层状结构的稳定，因此所获得的二维有机-无机杂化超晶格结构在长时间的可逆离子嵌入/脱出反应中保持了高的结构稳定，实现了长循环寿命。然而关于二维有机-无机杂化超晶格结构的首要挑战就是如何实现简易有效的制备。

二维有机-无机杂化超晶格结构的制备方法。a：有机聚合物直接插层；b：单体插层和层间聚合；c：层层组装；d：剥离再组装。

在正文部分，作者首先归纳了目前最主要的四种制备二维有机-无机杂化超晶格结构的方法，其次介绍了二维有机-无机杂化超晶格结构在电化学能源存储系统上的应用，如超级电容器，锂/钠/钾离子电池和多价离子电池等，并举例分析讨论了储能机理，最后总结了目前取得的进展和面临的挑战，并对未来的发展方向进行了简单的展望。

该综述归纳了课题组近年来在二维超晶格材料方面的进展，全面系统地总结了目前二维有机-无机杂化超晶格结构的研究进展，为在原子/分子水平上二维异质结构或超晶格结构的人工设计开辟了新的思路。

南京理工大学化工学院朱俊武和熊攀老师近年来致力于人工设计二维异质结构/超晶格结构的研究，实现了不同维度上二维异质结构/超晶格的宏量制备和结构调控，并从原子/分子尺度上阐明了二维异质体系/超晶格结构中的界面协同效应对电化学储能和催化反应的作用机制，为其广泛应用奠定了基础。该工作得到了国家自然科学基金（51772152和51902161）和校自主科研专项计划（30919011269）的支持。

论文链接：

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

文章来源：南京理工大学化工学院