北京化工大學(xué)邱介山&中國石油大學(xué)（華東）吳明鉑、胡涵Matter綜述：電極材料的激光輔助制備及調(diào)控研究進展

【引言】

電極材料不同尺度的結(jié)構(gòu)特征對其電化學(xué)性能均具有顯著影響，如何實現(xiàn)在多個尺度下對電極材料進行可控調(diào)節(jié)是該領(lǐng)域關(guān)注的熱點。由于可實現(xiàn)在低功耗下快速、精準(zhǔn)以及高度可控的材料加工，激光輻照技術(shù)近年來被廣泛用以制備和調(diào)控電極材料，并在缺陷可控引入、異質(zhì)結(jié)構(gòu)精準(zhǔn)構(gòu)筑以及一體化電極原位制備等方面展現(xiàn)出獨特的優(yōu)勢。

近日，北京化工大學(xué)邱介山教授&中國石油大學(xué)（華東）吳明鉑、胡涵教授等在Cell姊妹刊Matter上發(fā)表了題為“Laser Irradiation of Electrode Materials for Energy Storage and Conversion”的綜述文章。文章總結(jié)了激光輻照技術(shù)在電極材料制備及改性方面的最新進展，并特別強調(diào)其在缺陷、異質(zhì)結(jié)以及一體化電極構(gòu)筑等方面的獨特優(yōu)勢。在對激光輻照技術(shù)原理進行簡單介紹后，作者分析了激光輻照參數(shù)對材料結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律并總結(jié)了利用激光輔助技術(shù)調(diào)控納米碳、金屬以及化合物納米晶等電極材料的研究進展和應(yīng)用特性。最后，作者詳細分析了該領(lǐng)域所面臨的挑戰(zhàn)，并對未來的發(fā)展趨勢進行了展望。

【圖文導(dǎo)讀】

圖1、激光輻照調(diào)控電極材料結(jié)構(gòu)

圖2、激光原理、類型以及激光誘導(dǎo)效應(yīng)

（A）受激輻射示意圖。

（B）不同介質(zhì)受激輻射產(chǎn)生的激光波長分布。

（C）不同類型激光誘導(dǎo)效應(yīng)示意圖。

（D）激光輻射下硅的蒸發(fā)時間分辨圖像。

圖3、激光輻照參數(shù)對產(chǎn)物結(jié)構(gòu)的影響

（A）激光液相燒蝕制備單分散納米晶示意圖。

（B，C）PbS納米粒子在激光輻照前（B）、后（C）的電子顯微圖像。

（D，E）空氣（D）和氬氣（E）氛圍中制備的LIG（激光誘導(dǎo)石墨烯） 掃描電子顯微鏡（SEM）圖像。

（F）激光輻照條件下納米粒子形貌隨溶液反應(yīng)性及脈沖次數(shù)的變化規(guī)律。

（G）不同激光工作距離對致熱區(qū)域的影響。

圖4、激光輻照調(diào)控納米碳材料的結(jié)構(gòu)缺陷

（A-D）激光誘導(dǎo)外延生長N摻雜石墨烯。

（E-G）激光誘導(dǎo)原位制備B摻雜石墨烯。

（H-J）激光輔助調(diào)控石墨烯中摻雜氮的類型。

（K, L）LIG中的本征缺陷。

（M-Q）激光液相燒蝕輔助暴露過渡金屬單原子催化劑活性位點。

圖5、激光輻照調(diào)控金屬化合物的結(jié)構(gòu)缺陷

（A-C）氮摻雜SnO2粉體的激光誘導(dǎo)大規(guī)模制備裝置及產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)表征。

（D，E）激光誘導(dǎo)定位摻雜MoS2納米片。

（F，G）激光誘導(dǎo)合成富含氧空位的Co3O4納米粒子。

圖6、金屬納米晶中的典型缺陷

（A，B）Ag納米晶的堆垛層錯示意圖（A）和球差校正高角環(huán)形暗場掃描透射電子顯微鏡（AC-HAADF-STEM）圖像（B）。

（C）多晶Pd納米顆粒的AC-HAADF-STEM圖像。

（D-F） 負(fù)載Au單原子的Ru納米顆粒元素分布圖像及其AC-HAADF-STEM圖像（E和F）。

圖7、激光輻照構(gòu)筑異質(zhì)結(jié)

（A）一步激光誘導(dǎo)制備異質(zhì)結(jié)構(gòu)的典型過程。

（B-D）碳包覆金屬/金屬氧化物納米顆粒異質(zhì)結(jié)構(gòu)的TEM圖像。

（E）金屬有機框架（MOF）納米棒修飾石墨烯納米片的TEM圖像。

（F）NiFe 層狀雙金屬化合物（LDH）負(fù)載Ni納米顆粒的TEM圖像。

（G）激光輻照制備金屬/半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)示意圖。

（H，I）RGO-GO異質(zhì)結(jié)。

（J-L）有機物包覆石墨烯在激光輻照前后的電阻與柵極電壓曲線（J）、拉曼光譜（K）以及在石墨烯納米片上制備任意形狀p-n結(jié)的示意圖（L）。

圖8、激光直寫技術(shù)制備一體化電極

(A) 激光直寫技術(shù)在GO薄膜上制備自支撐石墨烯電極示意圖。

(B) LIG的SEM俯視圖像。

(C) LIG截面的 SEM圖像。

(D) 激光直寫技術(shù)在刮涂法制備電極上構(gòu)筑電解液傳輸通道。

(E) 激光輻照和層壓實體制造技術(shù)結(jié)合制備復(fù)雜結(jié)構(gòu)電極。

(F) 激光輻照技術(shù)制備的大面積石墨烯電極。

(G) 直接在GO膜上制備任意形狀電極。

(H) 激光直寫電極陣列的串聯(lián)和并聯(lián)。

(I) 激光輔助制備叉指型結(jié)構(gòu)器件。

圖9、激光輔助制備超級電容器的性能

（A）基于激光直寫RGO電極的超級電容器性能。

（B-H）本征缺陷對石墨烯電子結(jié)構(gòu)以及電容特性的影響。

（I-K）基于負(fù)載導(dǎo)電MOF納米棒石墨烯電極的超級電容器結(jié)構(gòu)及性能。

（L-R）激光輔助構(gòu)筑具有復(fù)雜圖案的超級電容器。

圖10、激光輔助構(gòu)筑電極材料及器件在可充電電池中的應(yīng)用

（A-C）脈沖激光沉積（PLD）技術(shù)制備Fe2O3薄膜電極的TEM（A），SEM（B）圖像及其電化學(xué)性能（C）。

（D-F）不同N含量N-SnO2的電化學(xué)儲鋰特性。

（G-J）激光輔助技術(shù)制備鋅離子電池。

圖11、激光輔助制備電催化材料的性能

（A，B）富含氧空位Co3O4納米顆粒的合成（A）及其產(chǎn)氧（OER）性能（B）。

（C）激光液相燒蝕法制備Co3O4納米顆粒的氧還原（ORR）性能。

（D，E）NiO / NiFe LDH的OER性能。

（F）NiO、NiFe LDH和NiO / NiFe LDH中Ni陽離子的X射線吸收光譜。

（G-I）激光輔助制備一體化水電解裝置及其電解水性能。

【小結(jié)】

激光輻照技術(shù)在電極材料多尺度精準(zhǔn)調(diào)控方面具有獨特優(yōu)勢，在過去的十年里受到了研究者廣泛的關(guān)注。盡管取得了令人矚目的進展，但這一新興領(lǐng)域的研究仍處于起步階段，仍有一些艱巨的挑戰(zhàn)有待解決：

1. 激光輻照調(diào)控電極材料的確切機制仍不明確，極大限制了研究人員根據(jù)實際需要設(shè)計激光輔助加工過程的可能性；

2. 激光加工過程對工藝參數(shù)高度敏感，某一過程參數(shù)的微小偏差將導(dǎo)致完全不同的實驗結(jié)果，這不利于不同實驗室研究成果間的比較。

盡管存在上述挑戰(zhàn)，但不同背景的研究人員通過跨學(xué)科交流有望加深對這一領(lǐng)域基礎(chǔ)科學(xué)和技術(shù)問題的理解。我們堅信，隨著對激光加工過程越來越深入的理解，研究人員有望精確掌握不同材料/原料在激光輻照下的結(jié)構(gòu)演化規(guī)律，有助于實現(xiàn)根據(jù)器件的實際使用需求定制電化學(xué)能源存儲/轉(zhuǎn)化材料。

文獻鏈接：“Laser Irradiation of Electrode Materials for Energy Storage and Conversion”

https://secure.jbs.elsevierhealth.com/action/getSharedSiteSession?redirect=https%3A%2F%2Fwww.cell.com%2Fmatter%2Ffulltext%2FS2590-2385%2820%2930234-4&rc=0

（本文由中國石油大學(xué)（華東）重質(zhì)油國家重點實驗室投稿。）