Progress in Synthesis and Electrocatalysis of Two-Dimensional Metal Nanomaterials

doi:10.7503/cjcu20200551

Abstract

Abstract:

Energy conversion technologies based on various electrochemical reactions are the key for utilizing and developing sustainable energy sources in the future. Due to the unique physical and chemical properties， two-dimensional metal nanomaterials demonstrate great application potential in many electrochemical reactions， which has attracted the attention of numerous researchers. Herein， we first introduce the conventional methods and strategies for the synthesis of two-dimensional metal nanomaterials. Then， their applications in several electrocatalytic reactions are reviewed， with an emphasis on the relationship between structure and catalytic performance. Lastly， the challenges and prospects in this field are discussed.

Key words: Two-dimensional structure, Metal nanomaterial, Electrocatalysis, Energy conversion

CLC Number:

O646

TrendMD:

PI Yecan, ZHANG Ying, CHENG Zifang, HUANG Xiaoqing. Progress in Synthesis and Electrocatalysis of Two-Dimensional Metal Nanomaterials[J]. Chem. J. Chinese Universities, 2021, 42(2): 456.

Figures/Tables 16

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161	Geng Z.， Liu Y.， Kong X.， Li P.， Li K.， Liu Z.， Du J.， Shu M.， Si R.， Zeng J.， Adv. Mater.，2018， 30（40）， 1803498
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163	Li L.， Tang C.， Xia B.， Jin H.， Zheng Y.， Qiao S. Z.， ACS Catal.，2019， 9（4）， 2902—2908
164	Wang L.， Zeng Z.， Gao W.， Maxson T.， Raciti D.， Giroux M.， Pan X.， Wang C.， Greeley J.， Science， 2019， 363（6429）， 870—874
165	Kong X.， Xu K.， Zhang C.， Dai J.， Norooz Oliaee S.， Li L.， Zeng X.， Wu C.， Peng Z.， ACS Catalysis，2016， 6（3）， 1487—1492
166	Mahmood A.， Lin H.， Xie N.， Wang X.， Chem. Mater.，2017， 29（15）， 6329—6335

Synthetic method	Element	Information about structure & morphology	Ref.
Ligand/small molecule?mediated synthesis	Rh	Nanosheets, ca.1.3 nm in thickness	[84]
	Rh	Single?crystalline parallelogram nanosheets, (0.9±0.4) nm in thickness	[88]
	Co	Partially oxidized 4?atomic?layers	[85]
	Ag	Triangular sheets	[86]
	Pd	Hexagonal nanosheets, less than 10 atomic layers thick, tunable length of 20—160 nm	[87]
	Pd?Pt?Ag	Alloy nanosheets, 3 nm in thickness	[89]
Template?directed synthesis	Au	Square nanosheets, hcp phase, (5.0±0.6) nm in thickness	[90]
	Pd	Single?crystalline square nanoplates, tunable thickness of 2.4—4.5 nm	[91]
	Pt	Single crystalline nanosheet, 9.8 nm in thickness	[92]
	Ag	Nanoplates on MoS₂ substrate	[94]
Space?confined growth	Au	Nanosheets with thicknesses of several to tens of nanometers, large areas(>100 μm²)	[95]
	Au	Single?crystalline nanosheets, exceeding 20 μm in lateral size	[97]
	Ag	Nanoplate with {111} facets exposed	[100]
Seeded growth	Pd@Pt	Monolayer Pt grown on Pd core?shell nanoplates, less than 5 nm thick	[105]
	Pd@Ru	Sub?monolayered Ru decorated?ultrathin Pd nanosheets, 1.9 nm in thickness	[106]
	Ag@Ag	hcp/fcc square nanosheets, (2.8±0.5) nm in thickness	[107]
Exfoliation method	Sb	Nanosheets with thicknesses of 3—4 nm	[108]
	As, Sb, Bi	Nanosheets	[109]
	Ru	Nanosheet, ca. 0.6 nm in thickness	[112]
	Pt	Monolayer nanosheets	[113]
Mechanical compression method	Bi	Nanosheets with thickness of ca. 2 nm and area of more than several micrometers	[114]
	Pt, Au	Nanosheets, 5—10 nm in thickness	[115]
	Ag	Nanosheets with thicknesses of ca.1 nm and sizes of the order of micrometers	[116]
	Al	Nanosheets, ca.3 nm in thickness	[117]

Synthetic method	Element	Information about structure & morphology	Ref.
Ligand/small molecule?mediated synthesis	Rh	Nanosheets, ca.1.3 nm in thickness	[84]
	Rh	Single?crystalline parallelogram nanosheets, (0.9±0.4) nm in thickness	[88]
	Co	Partially oxidized 4?atomic?layers	[85]
	Ag	Triangular sheets	[86]
	Pd	Hexagonal nanosheets, less than 10 atomic layers thick, tunable length of 20—160 nm	[87]
	Pd?Pt?Ag	Alloy nanosheets, 3 nm in thickness	[89]
Template?directed synthesis	Au	Square nanosheets, hcp phase, (5.0±0.6) nm in thickness	[90]
	Pd	Single?crystalline square nanoplates, tunable thickness of 2.4—4.5 nm	[91]
	Pt	Single crystalline nanosheet, 9.8 nm in thickness	[92]
	Ag	Nanoplates on MoS₂ substrate	[94]
Space?confined growth	Au	Nanosheets with thicknesses of several to tens of nanometers, large areas(>100 μm²)	[95]
	Au	Single?crystalline nanosheets, exceeding 20 μm in lateral size	[97]
	Ag	Nanoplate with {111} facets exposed	[100]
Seeded growth	Pd@Pt	Monolayer Pt grown on Pd core?shell nanoplates, less than 5 nm thick	[105]
	Pd@Ru	Sub?monolayered Ru decorated?ultrathin Pd nanosheets, 1.9 nm in thickness	[106]
	Ag@Ag	hcp/fcc square nanosheets, (2.8±0.5) nm in thickness	[107]
Exfoliation method	Sb	Nanosheets with thicknesses of 3—4 nm	[108]
	As, Sb, Bi	Nanosheets	[109]
	Ru	Nanosheet, ca. 0.6 nm in thickness	[112]
	Pt	Monolayer nanosheets	[113]
Mechanical compression method	Bi	Nanosheets with thickness of ca. 2 nm and area of more than several micrometers	[114]
	Pt, Au	Nanosheets, 5—10 nm in thickness	[115]
	Ag	Nanosheets with thicknesses of ca.1 nm and sizes of the order of micrometers	[116]
	Al	Nanosheets, ca.3 nm in thickness	[117]

Application	Material	Electrolyte	Catalytic performance	Ref.
ORR	PdMo bimetallene	0.1 mol/L KOH	Mass activity:(16.37±0.60) A/mg_Pd Specific activity: 11.64 mA/cm² (@ 0.9 V vs. RHE)	[128]
	PtPb@Pt nanoplates	0.1 mol/L HClO₄	Mass activity: 4.3 A/mg_Pt Specific activity: 7.8 mA/cm² (@ 0.9 V vs. RHE)	[129]
	Pd@Pt_monolayer nanosheets	0.1 mol/L HClO₄	Mass activity: 0.717 A/mg_Pt Specific activity: 0.438 A/cm_Pt² (@ 0.9 V vs. RHE)	[105]
	5 monolayers Pd nanosheets	0.1 mol/L KOH	Mass activity: 8.07 A/mg_Pd Specific activity: 10.91 mA/cm² (@ 0.9 V vs. RHE)	[164]
	Intermetallic PtBi nanoplates	0.1 mol/L HClO₄	Mass activity: 1.04 A/mg_Pt (@ 0.85 V vs. RHE)	[77]
MOR & EOR	PtBi nanoplatelets	0.5 mol/L HClO₄+0.5 mol/L CH₃OH	470 mA/mg_Pt	[132]
	Pt nanosheets/RGO	0.5 mol/L H₂SO₄+0.5 mol/L CH₃OH	0.73 mA/cm²(@ 0.67 V vs. Ag/AgCl)	[92]
	PtPb@Pt nanoplates	0.1 mol/L HClO₄+0.1 mol/L CH₃OH	1.5 A/mg_Pt, 2.7 mA/cm²	[129]
	PtCu nanosheets	0.5 mol/L H₂SO₄+0.1 mol/L CH₃CH₂OH	2.97 mA/cm²	[67]
	Pd?Pt?Ag nanosheets	0.1 mol/L KOH+0.5 mol/L CH₃CH₂OH	1.34 A/mg	[89]
HER & OER	Partially hydroxylated Ir nanosheets	0.5 mol/L H₂SO₄	η_OER=328 mV @ 10 mA/cm² OER Tafel slope: 45.4 mV/dec	[146]
		1 mol/L KOH	η_OER=266 mV @10 mA/cm² OER Tafel slope: 29.1 mV/dec
	Amorphous Ir nanosheets	0.1 mol/L HClO₄	η_OER=255 mV @10 mA/cm² OER Tafel slope: 40 mV/dec	[147]
	Ir nanosheets assembly	1 mol/L KOH	η_OER=242 mV @10 mA/cm²	[66]
		0.1 mol/L HClO₄	η_OER=276 mV @10 mA/cm²
	Ru nanosheets	0.5 mol/L H₂SO₄	η_HER=20 mV @ 10 mA/mg HER Tafel slope: 46 mV/dec	[165]
	RuCu nanosheets	1 mol/L KOH	η_HER=20 mV @ 10 mA/cm² η_OER=234 mV @ 10 mA/cm²	[79]
		0.5 mol/L H₂SO₄	η_HER=19 mV @ 10 mA/cm² η_OER=236 mV @ 10 mA/cm²
	PtAgCo nanosheets	0.5 mol/L H₂SO₄	705 mA/cm²(@ -0.4 V vs. RHE)	[166]
CO₂ER	Graphene confined Sn quantum sheets	0.1 mol/L NaHCO₃	89% FE for formate (@ -1.8 V vs. SCE)	[157]
	Bi nanosheets	0.5 mol/L NaHCO₃	95% FE for formate (@ -1.5 V vs. SCE)	[158]
	Partially oxidized Co nanosheets	0.1 mol/L Na₂SO₄	90.1% FE for formate (@ -0.85 V vs. SCE)	[85]
NRR	Rhodium nanosheet	0.1 mol/L KOH	23.88 mg·h^-1·mg_cat^-1 (@ -0.2 V vs. RHE)	[70]
	Bi nanosheets	0.1 mol/L Na₂SO₄	(2.54±0.16) μg·h^-1·cm^-2 and (10.46±1.45)% FE for NH₃(@ -0.8 V vs. RHE)	[163]

Application	Material	Electrolyte	Catalytic performance	Ref.
ORR	PdMo bimetallene	0.1 mol/L KOH	Mass activity:(16.37±0.60) A/mg_Pd Specific activity: 11.64 mA/cm² (@ 0.9 V vs. RHE)	[128]
	PtPb@Pt nanoplates	0.1 mol/L HClO₄	Mass activity: 4.3 A/mg_Pt Specific activity: 7.8 mA/cm² (@ 0.9 V vs. RHE)	[129]
	Pd@Pt_monolayer nanosheets	0.1 mol/L HClO₄	Mass activity: 0.717 A/mg_Pt Specific activity: 0.438 A/cm_Pt² (@ 0.9 V vs. RHE)	[105]
	5 monolayers Pd nanosheets	0.1 mol/L KOH	Mass activity: 8.07 A/mg_Pd Specific activity: 10.91 mA/cm² (@ 0.9 V vs. RHE)	[164]
	Intermetallic PtBi nanoplates	0.1 mol/L HClO₄	Mass activity: 1.04 A/mg_Pt (@ 0.85 V vs. RHE)	[77]
MOR & EOR	PtBi nanoplatelets	0.5 mol/L HClO₄+0.5 mol/L CH₃OH	470 mA/mg_Pt	[132]
	Pt nanosheets/RGO	0.5 mol/L H₂SO₄+0.5 mol/L CH₃OH	0.73 mA/cm²(@ 0.67 V vs. Ag/AgCl)	[92]
	PtPb@Pt nanoplates	0.1 mol/L HClO₄+0.1 mol/L CH₃OH	1.5 A/mg_Pt, 2.7 mA/cm²	[129]
	PtCu nanosheets	0.5 mol/L H₂SO₄+0.1 mol/L CH₃CH₂OH	2.97 mA/cm²	[67]
	Pd?Pt?Ag nanosheets	0.1 mol/L KOH+0.5 mol/L CH₃CH₂OH	1.34 A/mg	[89]
HER & OER	Partially hydroxylated Ir nanosheets	0.5 mol/L H₂SO₄	η_OER=328 mV @ 10 mA/cm² OER Tafel slope: 45.4 mV/dec	[146]
		1 mol/L KOH	η_OER=266 mV @10 mA/cm² OER Tafel slope: 29.1 mV/dec
	Amorphous Ir nanosheets	0.1 mol/L HClO₄	η_OER=255 mV @10 mA/cm² OER Tafel slope: 40 mV/dec	[147]
	Ir nanosheets assembly	1 mol/L KOH	η_OER=242 mV @10 mA/cm²	[66]
		0.1 mol/L HClO₄	η_OER=276 mV @10 mA/cm²
	Ru nanosheets	0.5 mol/L H₂SO₄	η_HER=20 mV @ 10 mA/mg HER Tafel slope: 46 mV/dec	[165]
	RuCu nanosheets	1 mol/L KOH	η_HER=20 mV @ 10 mA/cm² η_OER=234 mV @ 10 mA/cm²	[79]
		0.5 mol/L H₂SO₄	η_HER=19 mV @ 10 mA/cm² η_OER=236 mV @ 10 mA/cm²
	PtAgCo nanosheets	0.5 mol/L H₂SO₄	705 mA/cm²(@ -0.4 V vs. RHE)	[166]
CO₂ER	Graphene confined Sn quantum sheets	0.1 mol/L NaHCO₃	89% FE for formate (@ -1.8 V vs. SCE)	[157]
	Bi nanosheets	0.5 mol/L NaHCO₃	95% FE for formate (@ -1.5 V vs. SCE)	[158]
	Partially oxidized Co nanosheets	0.1 mol/L Na₂SO₄	90.1% FE for formate (@ -0.85 V vs. SCE)	[85]
NRR	Rhodium nanosheet	0.1 mol/L KOH	23.88 mg·h^-1·mg_cat^-1 (@ -0.2 V vs. RHE)	[70]
	Bi nanosheets	0.1 mol/L Na₂SO₄	(2.54±0.16) μg·h^-1·cm^-2 and (10.46±1.45)% FE for NH₃(@ -0.8 V vs. RHE)	[163]

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