16、二维材料在能源与电子领域的应用进展

二维材料在能源与电子领域的应用进展

1. 二维材料在光电极水分解中的应用

1.1 二维材料的作用机制

析氢反应（HER）和析氧反应（OER）均为表面反应，因此增加活性表面积可同时降低复合率并提高反应速率。石墨烯及其复合材料具有极高的比表面积，当与纳米结构主体（如纳米线、多孔结构、金属 - 有机框架等）结合时，石墨烯包裹的电极可提高光催化性能。然而，石墨烯片在各种过程中容易团聚，这会阻碍离子向活性反应位点的传输以及产生的氢气逸出。

1.2 二维材料的钝化作用

对于光电极的长期运行稳定性，尤其是对于窄带隙材料（如硅、Cu₂O 和 III - V 族化合物半导体）而言，是重要的设计原则之一。许多研究报道了使用二维材料（包括石墨烯和过渡金属二硫属化物 TMDs）对不稳定的半导体光电极进行钝化。其钝化机制可归因于抑制光腐蚀的发生。引入具有催化活性的二维材料会形成原子尺度的相互作用结，增强光生载流子的分离，从而抑制光腐蚀反应。此外，大多数 TMDs 在还原环境中稳定，这对光电极的长期运行很重要。

1.3 二维材料在光电极水分解中的应用总结

二维材料在提高光电化学（PEC）电池性能方面已被证明非常有效，例如作为金属 - 绝缘体 - 半导体（MIS）光电极结构的理想导电通道、作为电荷介质/分离器、作为高效且低成本的助催化剂等。然而，石墨烯和 TMDs 在水分解研究中的实际应用仍面临许多关键问题，例如 TMDs 仅 2H 相的边缘位点具有活性，限制了整体电池效率，且 2H 相的导电性会引入额外的 IR 降，降低转换效率。

以下是二维材料在光电极水分解中的应用优势总结表格：
|应用优势|具体说明|