过渡金属氮化物（TMN）凭借其独特的电子结构，高导电性，优异的化学稳定性和出色的机械强度，在过去十年中引起了巨大的研究兴趣，并在电化学能量转换和存储方面显示出巨大的潜力。然而，TMN通常存在活性位点数量有限、离子动力学缓慢等问题，最终表现为电化学性能一般。设计具有结构明确的形态和良好的分散性的纳米结构TMN已证明是解决这些问题的有效策略，它提供了更大的比表面积，更丰富的活性位点以及更短的离子和质量传输距离。

有鉴于此，南洋理工大学Jong-Min Lee、电子科技大学肖旭教授和都柏林圣三一学院Valeria Nicolosi等人，从几何结构设计、电子结构工程、电化学能量转换与存储等方面综述了近年来国内外有关TMN基纳米材料的研究进展，包括电催化、超级电容器、可充电电池等。最后，概述了TMN基纳米材料的未来挑战及其在电化学能源应用之外的可能的研究方向。

本文要点

1）近年来，各种过渡金属氮化物(TMN)以其固有的金属性质和新颖的性能，作为电化学能源应用的电极材料得到了广泛的应用。本文综述了近年来TMN在形态结构设计、电子结构操纵、电化学能量转换和存储等方面的研究进展。首先，系统地介绍了不同维度TMN的综合策略。0D TMN纳米颗粒通常与碳材料复合，这有利于TMN纳米颗粒良好的分散性，抑制团聚。各向异性一维TMN可以通过CVD方法制备，也可以由其他一维过渡金属氧化物/氢氧化物转化而成。2D TMNs是近年来开发最为广泛的一种材料，可以通过域匹配外延、层状氮化物MAX前驱体刻蚀以及其他层状材料(如TMDs、氢氧化物和碳化物MXenes)的原位选择性原子取代等盐模板法制备。

2）3D TMN对于改善活动位点的可达性和促进电荷转移具有重要意义，目前已通过模板法和引入3D骨架的方法得到了广泛的发展。此后，深入讨论了操纵TMNs电子结构的新兴策略，主要包括杂原子掺杂，缺陷工程，异质结构和合金化。（i）杂原子（金属或非金属）掺杂不仅可以移动d带中心并调整轨道，还可以诱导更多的活性位点，从而协同促进更好的电化学性能。（ii）TMN中的阳离子和阴离子空位均有利于减少电催化中电位限制步骤（例如NRR）的热力学势垒。（iii）与各种化合物结合的基于TMN的异质结构可分为横向和垂直异质结构。这种强相互作用引起电子在界面处积累，从而调整了电子结构和吸附能力，从而为电化学装置提供了高活性电极。（iv）此外，具有两种或更多种金属合金化的多金属氮化物同时具有每种单金属氮化物的独特性质，其可以实现用于电催化的双功能活性。

3）TMN的纳米结构和电子结构调制的优势可在各种电化学能源应用中优化性能，包括电催化（HER，OER，ORR，CO2RR，NRR等），超级电容器和可充电电池（锂离子电池，锂–S电池等）。尽管TMN在电化学能量转换和存储的应用中显示出许多优势，并且在过去十年中发展迅速，但是仍然存在许多挑战和可能的方向需要解决。化学惰性使TMN在电化学反应过程中保持稳定，但是可能会导致原始TMN电化学反应的活性位点不足。此外，它们的超高刚度使TMN受限于柔性甚至可拉伸设备的应用，要求合成2D TMN和其他基于TMN的柔性复合材料。

参考文献：

Hao Wang et al. Transition metal nitrides for electrochemical energy applications. Chem. Soc. Rev., 2021.

DOI: 10.1039/D0CS00415D

https://doi.org/10.1039/D0CS00415D