Advanced Science

Thiết kế và chế tạo các hệ thống lưu trữ năng lượng điện hóa với cả mật độ năng lượng và công suất cao cũng như tuổi thọ dài là vô cùng quan trọng. Là một trong những hệ thống đó, thiết bị hybrid pin-supercapacitor (BSH) thường được xây dựng với một điện cực kiểu pin với dung lượng cao và một điện cực tụ điện có tốc độ cao, điều này đã thu hút được sự chú ý lớn do tiềm năng ứng dụng của nó trong các phương tiện điện tương lai, lưới điện thông minh và thậm chí các thiết bị điện tử/ quang điện mini hóa, v.v. Với thiết kế phù hợp, BSH sẽ cung cấp những lợi thế độc đáo như hiệu suất cao, chi phí thấp, an toàn và thân thiện với môi trường. Bài tổng quan này trước tiên đề cập đến nguyên tắc khoa học cơ bản, cấu trúc và phân loại có thể của BSH, sau đó xem xét những tiến bộ gần đây về các loại BSH hiện có và mới nổi khác nhau như BSH Li-/Na-ion, BSH axit/kiềm, BSH với điện phân oxi hóa khử, và BSH với điện cực giả tụ, với trọng tâm là vật liệu và hiệu suất điện hóa. Hơn nữa, những tiến bộ gần đây trong các thiết bị BSH với các chức năng cụ thể như tính linh hoạt và độ trong suốt cũng sẽ được nổi bật. Cuối cùng, xu hướng và định hướng phát triển tương lai cũng như các thách thức sẽ được thảo luận; đặc biệt, hai khái niệm BSH với cửa sổ điện áp cao trong nước và cấu trúc điện cực/điện phân 3D tích hợp sẽ được đề xuất.

Các vật liệu điện cực hiệu suất cao là chìa khóa cho những tiến bộ trong các lĩnh vực chuyển đổi và lưu trữ năng lượng (ví dụ, pin nhiên liệu và pin). Trong bài tổng quan này, những tiến bộ gần đây trong việc tổng hợp và ứng dụng điện hóa của các carbua kim loại chuyển tiếp (TMCs) và nitrida (TMNs) cho lưu trữ và chuyển đổi năng lượng được tổng hợp. Các đặc tính điện hóa của chúng trong pin Li-ion và Na-ion cũng như trong siêu tụ điện và các phản ứng điện xúc tác (phản ứng giải phóng oxy và khử, và phản ứng giải phóng hydro) được thảo luận liên quan đến cấu trúc tinh thể/hình thái/thành phần của chúng. Những lợi ích và ưu điểm của việc cấu trúc nano (ví dụ, MXenes 2D) được nhấn mạnh. Triển vọng của các xu hướng nghiên cứu trong tương lai trong thiết kế hợp lý các điện cực TMCs và TMNs hiệu suất cao được cung cấp ở phần cuối.

Mặc dù có nhiều phương pháp tổng hợp để thu được các điểm carbon (CDs), nhưng các phương pháp từ dưới lên vẫn là con đường được áp dụng rộng rãi nhất để sản xuất tổng hợp quy mô lớn và chi phí thấp. Tuy nhiên, khi các CDs phát triển với nhiều báo cáo liên quan đến việc sản xuất nhiều CDs, cấu trúc và đặc điểm tính chất đã thay đổi rất nhiều so với thế hệ đầu tiên của CDs, điều này làm dấy lên lo ngại về phân loại. Để giải quyết vấn đề này, một phân loại mới của CDs, được gọi là điểm polymer carbon hóa (CPDs), được tổng hợp dựa trên phân tích cấu trúc và đặc điểm tính chất. Tại đây, CPDs được tiết lộ như một lớp CDs mới nổi với cấu trúc và tính chất đặc trưng là hỗn hợp polymer/cacbon. Hơn nữa, những hiểu biết sâu sắc về tác động của việc tổng hợp lên cấu trúc/tính chất của CDs cũng được cung cấp. Tại đây, các phương pháp tổng hợp của CDs cũng được tóm tắt chi tiết, và tác động của điều kiện tổng hợp của các phương pháp từ dưới lên về cấu trúc và tính chất của CPDs được thảo luận và phân tích một cách toàn diện. Những hiểu biết về quá trình hình thành và cơ chế nucleate của CPDs cũng được cung cấp. Cuối cùng, một góc nhìn về sự phát triển trong tương lai của CDs được đưa ra với những hiểu biết quan trọng nhằm thúc đẩy tiềm năng của chúng trong nhiều lĩnh vực ứng dụng khác nhau.

Các công nghệ mới phụ thuộc vào sự phát triển của các vật liệu mới, và những vật liệu này có thể là sự kết hợp sáng tạo của các thành phần đã biết. Sự kết hợp cấu trúc giữa mạng hydrogel polymer với các hạt nano (kim loại, phi kim, oxit kim loại và các nhóm polymer) hứa hẹn cung cấp chức năng vượt trội cho vật liệu composite với ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau, bao gồm xúc tác, điện tử, cảm biến sinh học, phân phối thuốc, nano-y học và khắc phục môi trường. Việc trộn lẫn này có thể dẫn đến sự gia tăng tính chất hiệp lực của từng thành phần: ví dụ, tính bền cơ học của hydrogel và đồng thời giảm sự tập hợp của các hạt nano. Những lợi ích lẫn nhau này cùng với các ứng dụng tiềm năng liên quan đã thu hút sự quan tâm của các nhóm nghiên cứu đa ngành trong thập kỷ qua. Những tiến bộ gần đây trong các hợp chất nanoparticle-hydrogel sẽ được xem xét ở đây với trọng tâm là tổng hợp, thiết kế, ứng dụng tiềm năng và các thách thức vốn có đi kèm với những vật liệu hấp dẫn này.

Vật liệu chiều thấp, bao gồm các điểm lượng tử, dây nano, vật liệu 2D, v.v. đã thu hút ngày càng nhiều sự quan tâm nghiên cứu cho các thiết bị điện tử và quang điện tử trong những năm gần đây. Hiện tượng photogating, thường được quan sát trong các cảm biến ánh sáng dựa trên vật liệu chiều thấp và các cấu trúc lai của chúng, đã chứng minh đóng vai trò quan trọng. Photogating được coi là một phương thức điều chế dẫn điện thông qua điện áp cổng gây ra bởi ánh sáng thay vì đơn giản và hoàn toàn quy cho các trạng thái bẫy. Bài tổng quan này đầu tiên tập trung vào lợi ích của photogating và tiết lộ sự khác biệt với hiệu ứng quang dẫn truyền thống. Sau đó, các cơ chế gây ra hiện tượng photogating do trạng thái bẫy và cấu trúc lai, bao gồm nguồn gốc, hình thành và đặc tính của chúng sẽ được thảo luận. Tiếp theo, những tiến bộ gần đây về photogating do trạng thái bẫy và cấu trúc lai trong cảm biến ánh sáng chiều thấp sẽ được trình bày chi tiết. Mặc dù một sản phẩm băng thông lợi suất cao lên đến 10⁹ Hz được báo cáo trong một số trường hợp, tuy nhiên phải thực hiện một sự thỏa hiệp giữa lợi suất và băng thông đối với loại photogating này. Photogating chung được đưa ra theo ba nghiên cứu báo cáo rất gần đây. Photogating chung có thể cho phép đạt được cả lợi suất cao và băng thông cao đồng thời, mở ra con đường khám phá các cảm biến ánh sáng hiệu suất cao mới.

Việc phát triển các vật liệu năng lượng sạch và tái tạo như một sự thay thế cho nhiên liệu hóa thạch được dự đoán là giải pháp tiềm năng cho những vấn đề khẩn cấp về ô nhiễm môi trường và thiếu hụt năng lượng. Hydro là một vật liệu năng lượng lý tưởng cho tương lai, và phân hủy nước bằng năng lượng mặt trời/điện là một cách để tạo ra hydro. Các khung hữu cơ kim loại (MOFs) là một loại vật liệu xốp với những tính chất độc đáo đã thu hút sự chú ý ngày càng tăng trong những năm gần đây cho các ứng dụng trong phân hủy nước nhờ vào sự linh hoạt thiết kế vượt trội, tỷ lệ diện tích bề mặt trên thể tích cực lớn và các kênh lỗ có thể điều chỉnh. Bài tổng quan này tập trung vào tiến bộ gần đây trong việc áp dụng MOFs trong phân hủy nước bằng điện xúc tác và quang xúc tác để sản xuất hydro, bao gồm cả sự phát triển của oxy và hydro. Nó bắt đầu bằng các nguyên tắc cơ bản của phân hủy nước bằng điện xúc tác và quang xúc tác cũng như các yếu tố liên quan để xác định hoạt tính xúc tác. Tiến bộ gần đây trong việc khai thác MOFs cho phân hủy nước sau đó được tóm tắt, và các chiến lược cho thiết kế xúc tác dựa trên MOF cho việc phân hủy nước bằng điện xúc tác và quang xúc tác được trình bày. Cuối cùng, những thách thức lớn trong lĩnh vực phân hủy nước được nhấn mạnh, và một số triển vọng của các xúc tác dựa trên MOF cho quá trình phân hủy nước được đề xuất.

Các vật liệu dựa trên hydroxide kép theo lớp (LDH) đã thu hút sự chú ý rộng rãi trong nhiều ứng dụng nhờ vào cấu trúc theo lớp độc đáo với diện tích bề mặt riêng cao và phân bố electron đặc biệt, dẫn đến hiệu suất điện xúc tác tốt. Hơn nữa, sự tồn tại của nhiều cation kim loại tạo ra khả năng điều chỉnh linh hoạt trong các lớp chủ; các đặc điểm lồng ghép độc đáo dẫn đến sự trao đổi ion linh hoạt và tách lớp. Do đó, hiệu suất điện xúc tác của chúng có thể được điều chỉnh bằng cách điều tiết hình thái, thành phần, ion lồng ghép và tách lớp. Tuy nhiên, độ dẫn điện kém hạn chế hiệu suất điện xúc tác của chúng, điều này đã thúc đẩy các nhà nghiên cứu kết hợp chúng với các vật liệu dẫn điện để cải thiện hiệu suất điện xúc tác. Một yếu tố khác cản trở hoạt động điện xúc tác của chúng là kích thước bên lớn và độ dày khối của các LDH. Việc giới thiệu các khuyết tật và điều chỉnh cấu trúc điện tử trong các vật liệu dựa trên LDH được coi là những chiến lược hiệu quả để tăng số lượng vị trí hoạt động và nâng cao khả năng nội tại của chúng. Với những lợi ích độc đáo của các vật liệu dựa trên LDH, các dẫn xuất của chúng cũng đã được sử dụng như là các điện xúc tác tiên tiến cho quá trình phân giải nước. Ở đây, sự tiến bộ gần đây về LDH và các dẫn xuất của chúng như những điện xúc tác tiên tiến cho quá trình phân giải nước được tóm tắt, các chiến lược hiện tại cho việc thiết kế chúng được đề xuất, và những thách thức đáng kể cùng các quan điểm về LDH được thảo luận.

Với sự phát triển nhanh chóng của công nghệ nano, vật liệu nano nhạy cảm với kích thích đã cung cấp một giải pháp thay thế cho việc thiết kế các hệ thống giao thuốc có thể kiểm soát nhờ vào tính chất có thể điều khiển không gian và thời gian. Là một loại vật liệu xốp mới, các khung hữu cơ - kim loại (MOFs) đã được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng y sinh, đặc biệt là trong các hệ thống giao thuốc, nhờ vào khả năng điều chỉnh kích thước lỗ, diện tích bề mặt lớn và thể tích lỗ cao cũng như dễ dàng sửa đổi bề mặt. Ở đây, những tiến bộ gần đây trong các hệ thống nhạy cảm với kích thích dựa trên MOF được trình bày, bao gồm hệ thống nhạy cảm với pH, từ trường, ion, nhiệt độ, áp suất, ánh sáng, độ ẩm, phản ứng oxi hóa - khử và hệ thống nhạy cảm với nhiều kích thích để giao thuốc chống ung thư. Các thách thức còn lại và những gợi ý cho các hướng đi trong tương lai cho việc thiết kế hợp lý các loại nanomedicine dựa trên MOF cũng được thảo luận.

Sự hình thành của dendrite lithium gây ra vấn đề an toàn đáng chú ý và tuổi thọ chu kỳ kém của các thiết bị lưu trữ năng lượng, chẳng hạn như pin lithium–sulfur và pin lithium–không khí. Chúng tôi đề xuất một mô hình năng lượng bề mặt để mô tả giao diện phức tạp giữa anot lithium và điện giải. Một chiến lược toàn cầu nhằm ức chế sự hình thành dendrite lithium thông qua việc điều chỉnh năng lượng bề mặt của sự phát triển màng mỏng liên quan được gợi ý. Ưu điểm của motif mới này không chỉ nằm ở việc thiết lập một mối liên hệ hoàn hảo giữa điện hóa và lĩnh vực màng mỏng mà còn thúc đẩy việc ứng dụng quy mô lớn hơn của pin lithium–sulfur và pin lithium–không khí, cũng như các pin kim loại khác (ví dụ: Zn, Na, K, Cu, Ag và Sn).