在大量具有广泛应用前景的纳米结构中，3D纳米结构作为构建高性能纳米器件的构件引起了人们极大的关注。特别是在过去的十年中，人们致力于设计、制造和评估3D纳米结构作为电化学能量转换和存储装置的电极材料。虽然基于3D纳米结构的电化学能量器件已经取得了显著的进展，但在能量转换效率、储能性能和器件可靠性等方面仍需大幅度提高以满足实际应用的要求。

有鉴于此，德国伊尔梅瑙工业大学雷勇教授系统地总结了3D纳米结构在电化学能量转换和存储方面的优点以及现有和未来的挑战。全面了解这些优点和挑战，将为促进3D纳米材料的进一步发展提供宝贵的指导和启示，并有助于实现更高效的能量转换和存储技术，走向可持续的能源未来。

文章要点

1）作者首先概述了3D纳米结构。通常，最常见的3D纳米结构指的是：1）具有1D（诸如纳米线、纳米管、纳米棒）或2D（纳米片）纳米结构的3D空间体系；2）3D纳米孔结构；3）3D分级纳米结构材料。

2）作者总结了用于电化学能量转换的3D纳米结构，包括：光电化学水分解、光电催化转化N2和CO2制备化学燃料。

3）作者总结了用于电化学储能的3D纳米结构，包括：可充电金属离子电池、超级电容器。

4）作者基于过去对用于实现高性能能量转换和存储设备的3D纳米结构材料研究进展，提出了解决其面临的挑战需要进行更深入的研究：1）考虑到性能，可靠性和成本，对先进的3D纳米结构材料进行合理的设计和可扩展的制造； 2）从实验和理论模拟中深入了解3D纳米结构内的复杂（光）电化学行为（包括界面反应动力学和质量传输动力学）; 3）通过将3D纳米结构作为一个整体来建立纳米级效果，层次结构和整体性能之间的关系。

5）作者提出，应进一步优化一些已开发的策略，以提高3D纳米结构材料的性能，包括：1）在原子/分子水平上精确控制表面工程，为三维纳米结构材料的所有亚单元提供有利的晶面、丰富和稳定的空位以及可控的杂原子掺杂；2）分子或单原子共催化剂在高均匀性和高复盖率的3D纳米材料各亚单位上的原位生长； 3）先进的制造技术(如3D打印)，以生产具有预定义且稳定的空间取向和最佳间距的3D纳米结构材料。

Huaping Zhao, Yong Lei 3D Nanostructures for the Next Generation of  High-Performance Nanodevices for Electrochemical  Energy Conversion and Storage, Adv. Energy Mater. 2020

DOI: 10.1002/aenm.202001460

https://doi.org/10.1002/aenm.202001460