综述：能源枢纽处的二维半导体：转换与存储技术全面综述

《Materials Science in Semiconductor Processing》：2D semiconductors at the energy nexus: A comprehensive view of conversion and storage technologies

　　

摘要在新兴材料平台中，二维 (2D) 半导体因其可调的电子结构、高表面活性位点以及独特的界面化学而引起了广泛关注，这些特性共同促成了材料在能源应用中的多功能性。尽管有许多综述文章致力于特定的 2D 半导体家族或其电化学的某些方面，但仍缺乏对决定 2D 半导体在能量转换/存储器件中性能的结构 - 电子性质 - 性能关系的普遍理解。本综述旨在填补这一空白，从能量转换和存储的角度展示 2D 半导体的结构 - 电子性质 - 性能关系。本文讨论了负责催化性能的基本电子描述符、电荷传输机制、表面化学和界面相互作用。特别强调了原子级工程方法，如缺陷/空位工程、相调控、杂原子掺杂、应变工程、异质结构工程以及机器学习驱动的材料设计，因为它们在操纵电子结构和反应机理方面具有重要意义。综合讨论了在析氧、析氢、氧还原、CO2 还原、N2 还原、可充电电池和超级电容器应用中取得的最新进展，并从机理角度进行了探讨。最后，讨论了涉及人工智能引导的材料发现、自适应半导体结构、高熵体系和可持续制造的新兴机遇，作为智能能源材料的未来方向。通过将基本原理与最近的技术进步相结合，本综述为下一代 2D 半导体平台的合理设计提供了全面的路线图，用于可持续的能量转换和存储。

引言值得一提的是，本世纪与其他世纪不同，因为工业化、城市化、技术进步和人口增长导致全球能源需求上升。值得一提的是，虽然化石燃料在提供能源方面一直发挥着重要作用，从而成为我们社会发展的组成部分，但其持续使用已经造成了与环境相关的一些担忧，包括温室气体排放、气候变化、生态破坏和自然资源枯竭 [[1], [2], [3]]。此外，尽管太阳和风是可再生能源，但它们也带来了其他挑战，包括低能量转换效率、能量存储能力和电网不稳定。针对这些担忧，人们做出了巨大努力以开发可持续能源技术，能够有效地转换、存储、传输和利用可再生能源 [[4], [5], [6], [7]]。为了应对上述所有挑战，必须找到比以往使用的更激进的解决方案。具体而言，已经转向开发多功能材料系统，该系统可以集成各种与能源相关的过程。问题在于当前的能源材料通常只专注于某一特定过程，如催化、能量存储和传感器 [7,8]。然而，未来的能源结构需要能够将各种与能源相关的过程连接起来的材料，如电化学能量转换、电荷存储、分子活化和界面电荷转移等。这种能力将使人们能够开发高效且经济可行的能源技术，以实现碳中和世界 [9]。

几乎任何形式的能源生产和能源存储的核心，都是在材料界面上精确控制电子、离子和化学中间体的能力。在水分解、CO2 还原、固氮、电池充放电和超级电容器运行等反应中，性能直接由活性材料与反应表面之间的原子级反应决定。因此，一种越来越常见的策略是设计具有特定电子结构、大量活性位点、快速电荷传输路径和调控的界面化学的材料 [[10], [11], [12]]。这种方法使得近年来低维材料的研究变得极其令人兴奋，因为它们的物理和化学特性现在可以以前所未有的精度进行调节 [13,14]。除了能源技术中可用的多种材料外，二维 (2D) 半导体代表最具创新性的群体之一，因为它们具有独特的结构和电子特征。事实上，与传统材料相比，半导体材料的原子级薄特性导致了量子限域行为、高表面体积比、减短的扩散长度以及活性位点的易得性。这是通过使用原子级工程方法定制催化剂性能来实现的，从而解决了与可持续能源相关的问题 [15]。

石墨烯于 2004 年被发现，标志着材料科学研究新时代的开始。尽管石墨烯具有显著的电导率、机械性能和载流子迁移率，但由于缺乏能量带隙，石墨烯无法用于基于半导体的能源技术 [16,17]。这就是为什么有必要寻找其他具有半导体特性和可调电子结构的 2D 材料。在过去十年中，除了石墨烯外，已有许多新的 2D 半导体例子。图 1a 显示了主要 2D 材料组的分类，包括石墨烯化合物、过渡金属二硫属化物 (TMDCs)、层状半导体和层状氧化物。这种分类强调了 2D 材料库在石墨烯之外的快速增长，并为创建具有不同电子配置和能源应用的半导体奠定了基础。元素 2D 材料的快速发现及其合成极大地扩展了半导体层状材料的库存，并为它们在能源器件中的广泛应用提供了基础，如图 1b–c 所示。TMDCs、黑磷 (BP)、层状金属氧化物、二维钙钛矿、半导体 MXenes 和各种范德瓦尔斯异质结构是新兴 2D 半导体的例子 [[17], [18], [19]]。它们表现出各种电子结构，包括窄带隙和宽带隙半导体以及光催化剂，因此可以通过调节它们的物理和化学性质用于与能源相关的应用。为了清晰区分本征 2D 半导体与其他新兴 2D 材料家族并定义本综述的范围，代表性 2D 材料根据其电子特性和在能源技术中的作用进行了分类，如表 1 所示。

2D 半导体的出现改变了能源材料的设计理念。研究人员不再仅仅关注化学组成，而是可以调节原子结构、层间耦合、应变场、空位形成、异质界面等以定制材料性能 [40,41]。这种原子级的定制促进了用于电催化的创新能源材料的发展，包括析氢反应 (HER)、析氧反应 (OER)、氧还原反应 (ORR)、二氧化碳还原反应 (CO2RR) 和氮还原反应 (NRR)。在许多情况下，2D 半导体的电催化性能与传统贵金属催化剂相当甚至更好，同时提供了更丰富和更低的成本优势。

除了能量转换外，2D 半导体在电化学能源存储应用中也引起了极大关注。它们独特的层状结构实现了快速的离子扩散，并提供丰富的电活性表面，使其成为锂离子电池 (LIBs)、钠离子电池 (SIBs)、钾离子电池 (PIBs) 和多价离子电池的有前景候选材料。此外，它们的高比表面积和可调表面化学促进了超级电容器中用于电荷存储的快速氧化还原反应。因此，2D 半导体通常能够在能量转换和存储系统中发挥多种功能。

先进合成方法的发展推动了 2D 半导体的快速增长。各种尖端技术，如化学气相沉积、原子层沉积、溶剂热合成、液相剥离、分子束外延和界面诱导组装，使得能够控制生长具有可调性质的高质量 2D 材料 [42,43]。而表征技术的进步提供了对电荷转移和催化中原子级过程的见解。最近，人工智能 (AI)、高通量计算和机器学习辅助材料发现的整合为 2D 半导体研究提供了全新的维度 [[44], [45], [46]]。利用数据驱动建模技术，可以预测材料稳定性、活性位点和反应路径，并用于指导下一代能源材料的开发。这反映了材料设计从经验实验向预测设计的巨大飞跃 [[20], [21], [22], [23], [24], [25], [26], [27], [28], [29], [30], [31], [32], [33], [34], [35], [36], [37], [38], [39],47]。

尽管有许多综述文章涉及特定类型的 2D 材料或电化学能源应用，但目前的文献仍然相当分散，因为几乎所有的综述都只涉及电化学能量转换或电化学能量存储。因此，2D 半导体作为覆盖能量转换和能量存储的多功能材料的多功能应用至今仍未被探索。此外，以往的综述主要关注材料分类和性能对比分析，考虑了决定此类材料多功能性的结构 - 电子性质 - 性能关系。此外，尽管有大量综述 [[47], [48], [49], [50], [51], [52]] 致力于 2D 半导体在电子、光电子、光子和传感方面的应用，但它们在电化学能量转换和存储系统中的多功能应用受到的关注相对有限和零散，导致缺乏专门致力于基于半导体的能源技术的统一综述。本综述的主要贡献是制定了一个共同范式，将所有原子级结构工程、电子结构修饰、界面电荷转移以及能量转换和存储器件的电化学结合在一起。本综述不根据各种材料类别分组讨论，而是强调基于控制各种二维半导体性能的基本物理化学参数，可以普遍应用的设计概念。本综述提供了理解催化剂作用、电荷存储和能量转移机制共同原理的理论背景，并为未来设计新型能源材料提供了整体基础。与传统综述将能量转换和能量存储视为独立研究领域不同，本综述强调在这两个类别中共同起作用的物理化学因素。催化、界面处的电荷存储和能量传输受到电子结构、电荷转移、活性位点化学、界面相互作用、能带结构和载流子传输等共同因素的调节。对这些现象之间联系的见解得出了一个连贯的画面，即材料的原子级特性决定了宏观尺度上的电化学性能。

本综述的另一个显著特点是强调原子设计材料。缺陷/空位工程、相控制、杂原子掺杂、应变工程、组成工程、界面工程和异质结构制备已被系统分析，以说明这些方法在定制电子结构、电荷重新分布、反应中间体吸附以及最终提高催化性能和能量存储容量方面所发挥的作用。这不是单独分析每种方法，而是说明所有这些技术如何通过共同的电子和界面效应控制 2D 半导体的功能。

本文的意义归功于对多种 2D 半导体家族使用统一的结构 - 电子性质 - 性能方法进行交叉对比的综合研究。使用这种方法可以推导出不限于特定材料家族的通用设计原理，并提供可概括应用于几种电化学器件的机理见解。所描述的框架也为将电催化和电化学能量转换结合到一个单一平台以比较不同类型的能源过程提供了基础。特别是，本综述考虑了将 2D 半导体用于氧化和还原反应中的电催化，如 OER、HER、ORR、CO2RR 和 NRR，以及可充电电池和超级电容器中的能量存储。总之，由于能源材料科学领域的快速发展，本综述提供了机器学习辅助材料设计、自适应半导体结构、高熵 2D 半导体和智能能源器件的未来方向，为开发用于能源应用的未来多功能半导体系统提供了前瞻性路线图 (图 2)。

章节摘要
与能源相关的 2D 半导体的基础
涌现了庞大的 2D 半导体家族，包括 TMDs、层状金属氧化物、BP 和范德瓦尔斯异质结构。在上述提到的半导体家族中，TMDs 根据其晶体多晶型表现出多样的电学性质。例如，包括 MoS2、WS2 和 MoSe2 等在内的三方棱柱 2H 多晶型通常是半导体。

此外，块体 TMDs 往往具有间接带隙，而它们的单层类似物则具有直接带隙

可控合成与可扩展制造

确实，高性能 2D 半导体在能量转换和存储系统中的利用本质上依赖于制造具有特定晶体厚度、结晶度、形态、缺陷密度和界面的材料的能力。由于 2D 半导体的电子结构、催化行为、电荷传输性能和离子存储能力强烈依赖于原子排列，因此开发稳健的合成方法以可靠地生产用于能量转换的 2D 半导体至关重要。从无碳来源产生能源依赖于可用的高效技术，该技术能将可再生能源转化为化学能和电能 [239]。2D 半导体因其原子级薄结构、可调节的电子特性、高比表面积以及独特的界面化学性质而引起了广泛关注。2D 半导体调节电荷传输、光吸收和控制反应动力学的能力使其能够用于能量存储。

能量存储系统对于便携式电子设备、电动汽车和电网级能量存储不可或缺 [294]。在这方面，本综述突出了 2D 半导体（特别是 TMDs）的新兴作用，重点关注其用于高性能电池和超级电容器应用的结构设计策略。

展望：迈向自主和智能能源材料

2D 半导体取得的重大进展为这些材料在电化学能量转换和存储系统的开发中的应用铺平了道路。如本综述所述，在原子精确制造、电子结构操纵、缺陷控制、相调谐、异质结形成和界面工程各个方面的进展，导致了催化性能、电荷存储能力、载流子传输等方面的显著进步，以及

CRediT 作者贡献声明

Iram Malik：概念化，撰写 - 初稿。Anuj Kumar：概念化，监督，验证，撰写 - 审查与编辑。Monika Singh：数据整理，撰写 - 初稿。Srashti Pachauri：形式分析，撰写 - 初稿。Dokhyl Alqahtani：验证，撰写 - 审查与编辑。Fawwaz Hazzazi：项目管理，监督，验证，撰写 - 审查与编辑。

利益冲突声明

作者声明他们没有任何已知的竞争性财务利益或个人关系，这些可能看起来影响了本论文中报告的工作。

致谢

作者感谢沙特阿卜杜勒阿齐兹王子大学通过项目编号（PSAU/2026/01/43507）资助这项研究工作。

Iram Malik|Anuj Kumar|Monika Singh|Srashti Pachauri|Dokhyl Alqahtani|Fawwaz Hazzazi
沙特阿卜杜勒阿齐兹王子大学工程学院电气工程系，沙特阿拉伯，哈尔贾，11942