隨著人們對能源危機和環境污染的日益關注，化石能源的快速消耗已成為當前世界面臨的重大挑戰。近年來，基於電化學的新型儲能轉換裝置的開發，如可充電電池、超級電容器、電催化等，對解决上述問題具有重要意義。雖然上述器件具有不同的工作機制，但所有新型儲能轉換裝置的電化學效能和可靠性主要受所涉及的電化學活性資料的限制。囙此，合理設計和合成先進資料對新型儲能轉換裝置的發展具有重要意義。
在過去的幾十年裏，納米科技得到了迅速的發展，並在幾乎所有能源相關的領域得到了廣泛應用。可以通過有目的地調節納米材料的結構和組成來提高電化學動力學效能。通過合理的設計和合成方案，實現可控製備不同結構、尺寸和組成的納米材料，從而形成組成-結構-效能之間的關係。然而，納米材料合成的發展仍然面臨著許多挑戰。傳統的納米材料合成策略總是耗時耗力，且可控性較差。囙此，迫切需要一種簡便、經濟、快速的高性能電化學能量存儲和轉換納米材料合成策略。
近年來，雷射輻照合成科技作為一種將“奈米科技”與“光”巧妙地結合起來的有效方法，受到了世界各國學者的廣泛關注，在調節資料表面和電子結構方面前景廣闊。與傳統的熱處理科技不同，雷射輻照合成是基於脈衝雷射束誘導的光熱效應，在特定的位置進行雷射輻照後快速冷卻。熱效應可以通過所應用的雷射參數（頻率、脈衝寬度和雷射强度）來調整。雷射輻照合成的主要優點是其所涉及的時間和位點特异性光熱效應的簡捷性，可以快速獲得低能耗的納米材料。快速的加熱和冷卻速率（>106ºC s-1）可以產生特定的反應條件，精確地調節合成材料的特定表面/介面和微觀結構。
近期，濟南大學原長洲教授團隊在InfoMat上詳細綜述了基於電化學的雷射誘導電化學能量存儲和轉換納米材料的研究進展。首先概述了雷射輻照法的研究歷史、分類、優勢和基本原理，包括所涉及微/納米結構產生和修飾的機制。其次，綜述了雷射誘導電化學能量存儲和轉換納米材料在可充電電池、超級電容器和電催化方面的實際應用，包括缺陷和/或雜原子的可控引入、外延生長在適當的襯底上、以及異質結構的精細製備。最後，闡述了雷射輻照法在電化學能量存儲和轉換領域面臨的挑戰，並提出了未來的發展方向。這一綜述將對未來的設計和有目的製備先進的雷射誘導納米材料提供重要的指導。該工作在InfoMat上以題為“Laser Irradiation Construction of Nanomaterials towards Electrochemical Energy Storage and Conversion: Ongoing Progresses and Challenges”線上發表。
我們摘取了文章裏的幾部分重點給大家做個介紹：
1、雷射輻照法
1.1、雷射輻照法的發展歷史
圖1各種雷射輻照法的發展年表和2000年至今採用各種雷射輻照法出版文章的數量統計。
1.2、雷射輻照法的原理
脈衝雷射沉積作為一種物理氣相沉積科技，被認為是一種可擴展和通用的薄膜生長途徑。脈衝雷射沉積系統主要由雷射源、光路系統、沉積室、真空系統和氣路系統組成，如圖2A所示。雷射誘導的納米材料通常直接沉積在襯底上。因為雷射源放置在沉積室之外，沉積過程是在超高真空或背景氣氛的存在下進行的。與脈衝雷射沉積相比，液相雷射輻照（圖2C）加速了納米材料的形成，並且只需要簡單的前驅體和設備（只需要一個固定板，水或溶液）。液相環境不僅為雷射輻照合成提供了一些高度可控的參數，而且極大地影響了雷射誘導納米材料的形貌和微觀結構。此外，液相雷射輻照還具有副產物生成减少、不需要催化劑的優點。
圖2脈衝雷射沉積（A）和液相雷射輻照法（C）的裝置圖和優缺點（B）。
2、雷射誘導納米材料的結構調控與應用
電化學能量的儲存和轉換通常是由碳基資料、過渡金屬化合物（氧化物/硫化物/氮化物/碳化物）和金屬納米晶體等電極資料通過電子驅動的電化學反應。雷射輻照法作為一種簡單、可擴展、通用的方法，已被廣泛用於設計和合成多功能納米材料。雷射誘導納米材料的特定結構和效能可以精確調控。本文全面綜述了用於電化學能量存儲和轉換（可充電電池、超級電容器和電催化）的雷射誘導納米材料的最新進展及其突出的優點。這將為高性能電化學能量存儲和轉換的先進雷射誘導納米材料的合理設計和製備提供重要的指導。
2.1、雷射誘導納米材料在可充電電池方面的應用
可充電電池由於具有高能量密度、長迴圈壽命、可持續性和環境友好性的優點，其不斷發展對電化學能量存儲和轉換非常重要。在可充電電池中，鋰離子電池、鈉離子電池、鋅離子電池和金屬空氣電池受到了越來越多的關注。然而，一些關鍵問題制約著它們的進展，包括低容量、較差的迴圈壽命和緩慢的反應動力學。此外，固有的反應機制導致體積變化大、電化學動力學遲緩，這對電化學效能的改善極為不利。囙此，可控調節電極資料以緩解體積變化、促進電化學反應成為可充電電池領域的主要研究課題之一。雷射誘導納米材料在精確而簡單的結構控制方面的優點為研究結構與效能之間的內在關係提供了可靠而突出的平臺（圖3）。
圖3雷射誘導納米材料在可充電電池方面的應用
2.2、雷射誘導納米材料在超級電容器方面的應用
高功率密度超級電容器作為一種高效的能量存儲系統，因其在電化學儲存和轉換中的潜在應用引起了全世界範圍內的廣泛關注。超級電容器具有結構簡單、安全、充放電響應快、可靠性高、功率密度高、壽命長等獨特優點，在某些領域可以作為可充電電池的替代品。然而，其固有的低能量密度阻礙了其實際應用。囙此，合理設計和調控電極資料以提高超級電容器的電荷存儲能力成為研究的主要方向。
迄今為止，各種超電容資料，如碳資料、過渡金屬化合物和導電聚合物得到了廣泛的研究。但超級電容器電極資料的合成大多採用常規合成方法，通常耗時能耗。雷射輻照法作為一種簡單而高效的資料加工策略，已被廣泛用於可控構築具有特定結構的電極資料（圖4）。
圖4雷射誘導納米材料在超級電容器方面的應用
2.3、雷射誘導納米材料在電催化方面的應用
電催化是指能促進電催化劑表面電化學反應的多相催化過程。一般來說，電催化中與能源相關的應用是水迴圈，它涉及一系列與氫和氧相關的電化學過程，包括水分解和燃料電池。然而，由於電催化反應中的多電子轉移過程，其較低的動力學嚴重限制了電化學能量存儲和轉換器件的效能。囙此，能够從根本上加速電催化反應的合適電催化劑已經得到了廣泛的研究。最近，雷射輻照科技已經被證實是一種强有力的方法來調節電催化資料以增强催化效能，包括結構缺陷、異質結構和新的電極設計（圖5）。
圖5雷射誘導納米材料在電催化方面的應用
該工作發表在InfoMat（DOI:10.1002/inf2.12218）上。
原文刊載於【InfoMat】公眾號
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