談到納米結構大師，就不得不提到新加坡南洋理工大學的樓雄文教授了。

樓老師現為新加坡南洋理工大學教授，連續多年入選Clarivate Analytics “高被引科學家”名單(化學與材料科學領域)。樓老師專注于新能源材料與器件研究，并取得了卓越的研究成果。他現為Science Advances副主編、Journalof Materials Chemistry A副主編、Small Methods編委。課題組主頁：https://personal.ntu.edu.sg/xwlou/

截止到2021年4月，共發表論文300多篇，其中多篇為高被引論文、熱點文章、封面文章，總被引用次數高達8萬多，H指數高達175。其中，據Web of Science記錄，在《Angewandte ChemieInternational Edition》上發表論文數量高達62篇。2021年5月5日，《Angewandte Chemie International Edition》在線刊發了新加坡南洋理工大學的樓雄文教授與河南師范大學的高書燕教授共同合作的最新綜述。

新加坡南洋理工大學的樓雄文教授、河南師范大學的高書燕教授等人綜述了一維中空納米結構的合理設計和應用研究的最新進展，這些納米結構具有獨特的結構設計、復雜的結構/成分、形貌可控、優異的電化學性能等特點，可用于電化學儲能的各種應用，包括鋰離子電池、鈉離子電池、鋰-硫電池、鋰-硫(硒)電池、鋰金屬陽極、金屬-空氣電池、超級電容器。在此基礎上，作者還總結了該領域的一些關鍵挑戰以及未來可能的研究方向。最后，作者展望未來，以期推動一維納米結構功能材料在不同的儲能應用領域的發展。相關工作以《Rational Design and Engineering of One-Dimensional HollowNanostructures for Efficient Electrochemical Energy Storage》為題在《Angewandte Chemie International Edition》上發表綜述論文。

圖1 一維中空納米結構用于電化學儲能的優點示意圖

一維中空納米結構在電化學儲能應用中具有許多結構優勢，與其納米尺寸的結構單元、高的比表面積以及獨特的二次結構密不可分。具體而言，納米級可滲透粒子為電子/離子的遷移提供了較低的擴散能壘，可以充分利用活性材料，促進反應動力學。高的表面積提供了豐富的可達活性位點，并賦予材料與電解質發生充分潤濕。設計良好的中空結構，控制尺寸和成分，有助于緩和應力松弛，從而保持電極的完整性，實現穩定的循環壽命。

此外，為了提高電化學性能，一維納米電極通常與導電碳質材料進行集成。高導電性的碳纖維不僅有效促進電荷轉移，而且在循環的電化學反應中表現出顯著的機械穩定性，以減小體積變化率。

圖2 一維中空納米結構在LIBs的應用

鋰離子電池(LIBs)憑借其高容量、高工作電壓和穩定的循環壽命等優異的電化學性能，已在電化學儲能領域占據主導地位數十年。然而，探索具有更高的能量密度、更長的持續使用時間、更高的倍率性能以及更低的制備成本仍然存在巨大挑戰。從結構方面來看，一維中空納米結構為促進電子/離子傳輸、保持電極完整性以實現高倍率性能和長期循環穩定性提供了可能性。一般來說，作為LIBs電極時，一維中空納米結構具有較短的離子/電子擴散路徑，通常具有較高的電化學性能。同時，構建堅固的空心納米結構可以有效地緩沖電極的體積變化，防止結構坍塌，延長循環壽命。

例如，①合金型材料因其高理論容量而成為極具吸引力的負極材料。不幸的是，這類材料因在放電/充電反應期間會發生巨大的體積變化而導致容量發生快速退化。在這方面，構建一維中空納米結構是緩解體積變化的有效方法。②對于轉化型材料，由于嵌鋰/脫鋰過程中體積變化巨大，導電性較差，這些材料的循環壽命有限，倍率性能較差。將一維空心納米結構設計及與碳質材料復合是解決這一問題的有效途徑。③一些遵循嵌入反應機理的正極材料也可通過一維多孔納米結構設計，以提高其電化學性能。

圖3 一維中空納米結構在SIBs的應用

與LIBs一樣，一維中空納米結構由于其豐富的結構優勢，也可用于SIBs的電極材料設計。一維中空納米碳、合金型材料、轉化型材料均可以作為SIBs的負極材料。

圖4 一維中空納米結構在Li-S電池的應用

Li-S電池以其低成本、高能量密度的特點被認為是極具發展前景的下一代可充電電池。然而，對于Li-S電池的實際應用仍存在許多挑戰：①硫及其放電中間體的絕緣性質導致其利用率低，可逆容量低。②多硫化物在電解液中的溶解及其穿梭效應導致循環壽命較差，庫倫效率較低。③電化學反應過程中，體積變化較大以及陽極Li枝晶生長問題也一直阻礙著鋰金屬負極的發展。

在各種硫正極材料中，一維導電空心納米材料因其能夠有效地促進硫正極的反應動力學而受到人們的關注。具體來說，①空心結構的較大間隙可以負載大量的硫，大大提高了電極的能量密度。②其次，具有高比表面積的多孔結構可作為物理/化學屏障，抑制多硫化物的溶解和損耗。③柔性一維空心結構可以有效緩沖循環過程中體積變化的影響。④此外，一維中空結構的形貌和化學成分簡單可控，為電極結構、組分的多元化設計提供了更多選擇性。

圖5 一維中空納米結構在Li-Se_xS_y電池的應用

與硫相比，硒(Se)具有較高的電導率和更好的反應動力學，被認為是一種可替代S的正極材料，但其成本較高和重量容量較低而限制了其廣泛的應用。為了合理平衡S和Se的特性，提出了一類Se_xS_y固溶體作為一種新穎的正極候選材料。然而，Li-Se_xS_y電池也面臨類似的問題(如反應中間體溶解到電解液中、電子導電性低、單位面積質量負載不足)，需要進一步改善電化學性能。

圖6 一維中空納米結構在LMAs的應用

金屬Li因其超高的理論容量(3861 mAh g^-1)和較低的氧化還原電位(-3.04 V)而被認為是高能電池的終極陽極。不幸的是，由于Li枝晶的不可控生長以及逐漸衰減的庫倫效率，金屬Li陽極的實際應用受到了抑制。構建精心設計的三維多孔主體結構是解決這一問題的有效策略。具有高表面積的三維導電網絡促進了電子傳遞，并使電極局部電流密度降低，更重要的是，具有可伸縮性和穩定性的一維空心納米結構能夠緩沖電化學循環過程中的高體積變化。

圖7 一維中空納米結構在MABs的應用

與傳統的金屬離子電池相比，金屬空氣電池(MABs)因具有更高的能量密度，因此得到了廣泛的關注。例如，Zn-空氣電池和Li-空氣電池的理論能量密度分別為1086 Wh kg^-1和3600 Wh kg^-1。在MABs中，由多孔集流體和活性材料組成的空氣陰極，是氧還原反應(ORR)和析氧反應(OER)的發生場所。在放電過程中，O₂擴散到電解液中，與電極表面的活性位點發生反應，產生氧化物(如超氧化物、過氧化物或氧化物)，在充電過程中發生可逆反應。

先進的陰極材料通常具有一些獨特的結構和組成性質：①多孔結構加速了O₂和金屬離子的傳輸。②高催化活性，從而保證電化學反應的可逆性。③良好的導電性，并穩定界面抑制副產物的形成，避免活性位點的覆蓋。一維中空納米結構由于具有高比表面積、豐富的活性位點、良好的O₂擴散通道等結構特性，在促進MABs的電化學動力學方面已被證明是有效的策略。

圖8 一維中空納米結構在SCs的應用

由于具有良好的充放電特性、長期循環壽命和高功率密度，超級電容器(SCs)是最具應用前景的電化學儲能器件之一。對于雙電層電容和贗電容的電化學反應機理，制備高孔隙率、良好導電性和高比表面積的電極是實現高性能SCs的有效途徑之一。近年來，一維中空納米結構作為高性能SCs的電極被廣泛報道。例如，碳質材料具有低密度、高電導率、良好的化學/電化學穩定性、可控的孔隙率和豐富的活性位點等顯著特點，是一種極具前景的電極材料。

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.202104401