Two-dimensional Amorphous Metal Oxides for Electrochemical Energy Storage and Conversion

doi:10.1007/s40242-026-6139-4

Abstract

Abstract: Amorphous nanomaterials, which combine short-range order with long-range disorder, provide defect-rich platforms for tailoring electronic structure. This review surveys the controllable synthesis of two-dimensional amorphous metal oxides (2D AMOs)—spanning top-down, topotactic, template-directed, and wet-chemical paradigms—with an emphasis on regulating the amorphous phase while preserving the 2D morphology. We then examine key structural-modification strategies, including phase engineering, single-atom anchoring, conductive hybridization, and defect manipulation. Building on these foundations, their applications in electrochemical energy storage and conversion are discussed to clarify the underlying structure-property-performance relationships. Finally, the remaining bottlenecks and future perspectives are outlined, charting a roadmap toward practical, scalable use.

Key words: Two-dimensional, Amorphous structure, Metal oxide, Energy storage, Energy conversion

YANG Kai, ZHENG Tian, FU Yikang, GUO Tianqi, HU Pengfei, GUO Lin. Two-dimensional Amorphous Metal Oxides for Electrochemical Energy Storage and Conversion[J]. Chemical Research in Chinese Universities, 2026, 42(4): 1193-1210.

References

[1] Abbas Q., Mirzaeian M., Hunt M. R. C., Hall P., Raza R., Energies, 2020, 13, 5847.
[2] Liu J. Z., Hao R., Jia B. B., Zhao H. W., Guo L., Nanomaterials, 2021, 11, 3246.
[3] Lei Z. H., Lee J. M., Singh G., Sathish C., Chu X. Z., Al-Muhtaseb A. H., Vinu A., Yi J. B., Energy Storage Mater., 2021, 36, 514.
[4] Yu X. Y., Yu L., Lou X. W., Small Methods, 2016, 1, 1600020.
[5] Xu H., Akbari M. K., Zhuiykov S., Nanoscale Res. Lett., 2021, 16, 94.
[6] Qian W., Xu S., Zhang X., Li C., Yang W., Bowen C. R., Yang Y., Nano-Micro Lett., 2021, 13, 156.
[7] Xiong W., Yin H. H., Wu T. X., Li H., Chem. Eur. J., 2023, 29, e202202872.
[8] Kang J., Yang X., Hu Q., Cai Z., Liu L.-M., Guo L., Chem. Rev., 2023, 123, 8859.
[9] Kang J. X., Li F. S., Xu Z. Y., Chen X. Y., Sun M. K., Li Y. H., Yang X. Y., Guo L., JACS Au, 2023, 3, 2660.
[10] Yang X. X., Li L., Rong H. W., Zhang B., Li Z. Y., Zhang W. Q., Zhao H. F., Wang Z., Hu Y. X., Tao S., Yu H. B., Peng X., Adv. Funct. Mater., 2025, 35, 2509124.
[11] Geng X., Lu X., Mei Z., Wang Z., Gault B., Adv. Energy Mater., 2025, 16, e04584.
[12] Lan H., Wang J., Cheng L., Yu D., Wang H., Guo L., Chem. Soc. Rev., 2024, 53, 684.
[13] Li Y., Yin Q., Jia B., Wang H., Gu H., Hu Q., Yang H., Guo T., Hu P., Li L., Liu L. M., Guo L., Angew. Chem. Int. Ed., 2025, 64, e202505668.
[14] Shi X. W., Su Z. Q., Deng C., Tao H. C., Wang S., Zheng L. X., Mao L., Bai J. Y., Zhu M. S., Adv. Mater., 2025, 37, 2508492.
[15] Wang X. T., Shi W. X., Wang S. X., Zhao H. W., Lin J., Yang Z., Chen M., Guo L., J. Am. Chem. Soc., 2019, 141, 5856.
[16] Yao Z. X., Tian H. F., Sasaki U., Sun H. C., Hu J. Y., Xue G. D., Jung Y. S., Li R. J., Li Z. J., Liao P. C., Wang Y. H., Zhang L. Y., Yin G., Zhang X. Y., Luo Y. J., Li W. X., Cho Y. S., Liu P. Z., Liu K. H., Zhang Y. F., Wang L. F., Guo J. J., Liu L., Nat. Commun., 2025, 16, 1482.
[17] Yin X., Wang Y. Z., Chang T. H., Zhang P., Li J., Xue P. P., Long Y., Shohet J. L., Voyles P. M., Ma Z. Q., Wang X. D., Adv. Mater., 2020, 32, 2000801.
[18] Bark H., Kim S., Lee W., Lee P. S., Lee H., ACS Appl. Mater. Interfaces, 2021, 13, 55029.
[19] Li C. Q., Cai Y. H., Hu P. F., Liu T., Zhu L., Zeng R., Han F., Zhang M., Zhang M., Lv J. K., Ma Y. X., Han D. X., Zhang M., Lin Q. J., Xu J. W., Yu N., Qiao J. W., Wang J. R., Zhang X., Xia J. L., Tang Z., Ye L., Li X. Y., Xu Z. H., Hao X. T., Peng Q., Liu F., Guo L., Huang H., Nat. Mater., 2025, 24, 1626.
[20] Shahid M., Javed H. M. A., Ahmad M. I., Qureshi A. A., Khan M. I., Alnuwaiser M. A., Ahmed A., Khan M. A., Tag-Eldin E. M., Shahid A., Rafique A., Nanomaterials, 2022, 12, 3413.
[21] Guo T. Q., Hu P. F., Li L. D., Wang Z. C., Guo L., Chem, 2023, 9, 1080.
[22] Thomas J. M., Nature, 2012, 491, 186.
[23] Bai X. H., Hu P. F., Li A., Zhang Y. W., Li A. W., Zhang G. J., Xue Y. F., Jiang T. X., Wang Z. Z., Cui H. K., Kang J. X., Zhao H. W., Gu L., Zhou W., Liu L. M., Qiu X. H., Guo L., Nature, 2024, 634, 80.
[24] Hu P. F., Yang H. S., Si R. T., Wei B., Wang X. T., Xu Z. Y., Yang X. Y., Guo T. Q., Gebauer R., Teobaldi G., Liu L. M., Wang Z. C., Guo L., Chem, 2024, 10, 3364.
[25] Chen X. Y., Lv S. N., Su Z. M., Yang X. Y., Cui H. K., Yang Z., Xu Z. Y., Teobaldi G., Kang J. X., Liu L. M., Guo L., Chem Catal., 2024, 4, 100871.
[26] Zhao C. S., Zhang H. T., Si W. J., Wu H., Nat. Commun., 2016, 7, 12543.
[27] Zhao H. W., Zhu Y. J., Li F. S., Hao R., Wang S. X., Guo L., Angew. Chem. Int. Ed., 2017, 56, 8766.
[28] Jia B. B., Hao R., Huang Z. N., Hu P. F., Li L. D., Zhang Y., Guo L., J. Mater. Chem. A, 2019, 7, 4383.
[29] Yuan T. B., Hu Z., Zhao Y. X., Fang J. J., Lv J., Zhang Q. H., Zhuang Z. B., Gu L., Hu S., Nano Lett., 2020, 20, 2916.
[30] Yan P. F., Ji L., Liu X. P., Guan Q. H., Guo J. L., Shen Y. L., Zhang H. J., Wei W. F., Cui X. W., Xu Q., Nano Energy, 2021, 86, 106139.
[31] Feng D., Wang P. Y., Qin R., Shi W. J., Gong L., Zhu J. W., Ma Q. L., Chen L., Yu J., Liu S. L., Mu S. C., Adv. Sci., 2023, 10, 2300342.
[32] Chen X. Y., Lv S. N., Gu H. F., Cui H. K., Liu G., Liu Y. F., Li Z. Y., Xu Z. Y., Kang J. X., Teobaldi G., Liu L. M., Guo L., J. Am. Chem. Soc., 2024, 146, 13527.
[33] Li R. J., Yao Z. X., Li Z. J., Liao L., Sun H. C., Cong C. A., Huang X. D., Wu K., Wang T. J., Tian H. F., Liao P. C., Liu S. Z., Wang Y. H., Zhang L. Y., Sasaki U., Yin G., Guo J. J., Ye Y., Wei X. D., Wang X. Y., Hong J. W., Mao J. H., Bao L. H., Wang L. F., Bai X. D., Gao P., Liu K. H., Liao L., He J., Bai S. L., Zhang Y. F., Hou Y. L., Zou R. Q., Gao H. J., Zhang Y., Wang E. E., Liu L., Nat. Synth., 2025, 4, 106.
[34] Zhang W., Peng J., Hua W. B., Liu Y., Wang J. S., Liang Y. R., Lai W. H., Jiang Y., Huang Y., Zhang W., Yang H. L., Yang Y. G., Li L. N., Liu Z. J., Wang L., Chou S. L., Adv. Energy Mater., 2021, 11, 2100757.
[35] Gao C. W., Jiang Z. J., Qi S. B., Wang P. X., Jensen L. R., Johansen M., Christensen C. K., Zhang Y. F., Ravnsbaek D. B., Yue Y. Z., Adv. Mater., 2022, 34, 2110048.
[36] Tian F., Radin M. D., Siegel D. J., Chem. Mater., 2014, 26, 2952.
[37] Zheng T., Hu P. F., Wang Z. C., Guo T. Q., Adv. Mater., 2023, 35, 2306577.
[38] Niu J., Liang J. J., Gao A., Dou M. L., Zhang Z. P., Lu X., Wang F., J. Mater. Chem. A, 2019, 7, 21711.
[39] Jin X. Y., Lee T., Park J., Kim J., Park S., Yun S. Y., Sung Y. E., Kim D. W., Kim M. G., Soon A., Hwang S. J., Nat. Commun., 2025, 17, 672.
[40] Zavabeti A., Ou J. Z., Carey B. J., Syed N., Orrell-Trigg R., Mayes E. L. H., Xu C. L., Kavehei O., O'mullane A. P., Kaner R. B., Kalantar-Zadeh K., Daeneke T., Science, 2017, 358, 332.
[41] Lyu X. Y., Wu G. H., Zheng Z. Y., Xia S. X., Xie J. Y., Xia Y., Fan P. S., Zhu R., Wang Y. J., Yang D., Li T. T., Dong A. A., ACS Nano, 2024, 18, 2219.
[42] Wu B., Liu X. C., Liu P. G., Wu G., Tian L., Han X., Li J. M., Hong X., Nat. Synth., 2025, 4, 370.
[43] Tian Y. H., Liu X. Z., Xu L., Yuan D., Dou Y. H., Qiu J. X., Li H. N., Ma J. M., Wang Y., Su D., Zhang S. Q., Adv. Funct. Mater., 2021, 31, 2101239.
[44] Liu W., Xu Q., Cui W. L., Zhu C. H., Qi Y. H., Angew. Chem. Int. Ed., 2017, 56, 1600.
[45] Jia B. B., Yang J., Hao R., Li L. D., Guo L., ACS Mater. Lett., 2020, 2, 610.
[46] Liu Y., Ding C. F., Yan X. D., Xie P. T., Xu B. Q., Chen L. L., Liu Y. C., Liu C. Z., Yu Y. H., Lin Y. H., Chem. Eng. J., 2021, 420, 129894.
[47] Sun R. B., Gao J. Y., Wu G., Liu P. G., Guo W. X., Zhou H., Ge J. J., Hu Y. M., Xue Z. G., Li H., Cui P. X., Zheng X. S., Wu Y. E., Zhang G. Q., Hong X., Cell Rep. Phys. Sci., 2020, 1, 100118.
[48] Liu D., Wang Y., Zhu J. R., Gu X. W., Yang H., Xiong Y. T., Shao M. W., Shao Q., Chem. Commun., 2025, 61, 2119.
[49] Li J. M., Wu G., Huang Z. X., Han X., Wu B., Liu P. G., Hu H. H., Yu G., Hong X., JACS Au, 2024, 4, 1243.
[50] Yamamoto E., Kurimoto D., Ito K., Hayashi K., Kobayashi M., Osada M., Nat. Commun., 2024, 15, 6612.
[51] Li Y. L., Yu G., Li J. M., Bian Z. N., Han X., Wu B., Wu G., Yang Q., Hong X., Small, 2024, 20, 2401162.
[52] Li Z. J., Zhai L., Ge Y. Y., Huang Z. Q., Shi Z. Y., Liu J. W., Zhai W., Liang J. Z., Zhang H., Natl. Sci. Rev., 2022, 9, nwab142.
[53] Wang Q. J., Li M. J., Siniard K. M., Driscoll D. M., Ivanov A. S., Liu J., Yang S. Z., Zhang J. Y., Polo-Garzon F., Houston A., Duscher G., Yang Z. Z., Dai S., ACS Catal., 2025, 15, 11806.
[54] Zhao H., Wang A. J., Zhang Q. Y., Han C., J. Environ. Sci., 2023, 134, 96.
[55] Chandrababu P., Cheriyan S., Raghavan R., J. Therm. Anal. Calorim., 2020, 139, 89.
[56] Cai H. T., Tuokedaerhan K., Lu Z. C., Zhang R. J., Du H. G., Coatings, 2022, 12, 1837.
[57] Zhang W. Z., Chen G. Y., Du Y. Y., Zhu S. L., Zhang J. C., Liu G. F., Zhang F. Y., Wang S., Wang X. L., ACS Appl. Energy Mater., 2022, 5, 3129.
[58] Smith R. D. L., Prévot M. S., Fagan R. D., Zhang Z. P., Sedach P. A., Siu M. K. J., Trudel S., Berlinguette C. P., Science, 2013, 340, 60.
[59] Dai T. J., Ren Y. X., Qian L. X., Liu X. Z., J. Electron. Mater., 2018, 47, 6709.
[60] Xie M., Sun X., George S. M., Zhou C. G., Lian J., Zhou Y., ACS Appl. Mater. Interfaces, 2015, 7, 27735.
[61] Mitamura S., Nekita S., Ono T., Hosomi T., Liu J. Y., Tanaka W., Takahashi T., Okuyama T., Hata S., Yanagida T., ACS Appl. Eng. Mater., 2025, 3, 2752.
[62] Sinha S. K., Superlattices Microstruct., 2019, 125, 88.
[63] Liu Y. D., Sakthivel T., Hu F., Tian Y. H., Wu D. S., Ang E. H., Liu H., Guo S. W., Peng S. J., Dai Z. F., Adv. Energy Mater., 2023, 13, 2203797.
[64] Su Q. H., Sheng R., Liu Q. C., Ding J., Wang P. Y., Wang X. C., Wang J. L., Wang Y. G., Wang B., Huang Y. D., J. Colloid Interface Sci., 2024, 658, 43.
[65] Zhao X. H., Li Z. J., Jang H., Wei X. Q., Wang L., Kim M. G., Cho J., Liu X., Qin Q., Small, 2024, 20, 2311172.
[66] Wang Z. H., Song Y., Wang J., Lin Y. L., Meng J. M., Cui W. B., Liu X. X., Angew. Chem. Int. Ed., 2023, 62, e202216290.
[67] Liu Y., Xiao L. Y., Tan H. W., Zhang J. T., Dong C. K., Liu H., Du X. W., Yang J., Small, 2024, 20, 2401504.
[68] Chen X. Y., Bi M., Yan Q. D., Fan D. Q., Huang B., Sun B. J., Qin C. C., Chen C. T., Sun D. P., He Q., Zhao M., Adv. Mater., 2025, 37, e08893.
[69] Li X. Y., Xiao L. P., Zhou L., Xu Q. C., Weng J., Xu J., Liu B., Angew. Chem. Int. Ed., 2020, 59, 21106.
[70] Cai C., Wang M. Y., Han S. B., Wang Q., Zhang Q., Zhu Y. M., Yang X. M., Wu D. J., Zu X. T., Sterbinsky G. E., Feng Z. X., Gu M., ACS Catal., 2021, 11, 123.
[71] Wang J. X., Zhao L., Zou Y. J., Dai J., Zheng Q., Zou X. Y., Hu L. F., Hou W., Wang R. Z., Wang K. Y., Shi Y. B., Zhan G. M., Yao Y. C., Zhang L. Z., J. Am. Chem. Soc., 2024, 146, 11152.
[72] Wang Y., Liu J. L., Yuan H. J., Liu F., Hu T. J., Yang B. Q., Adv. Funct. Mater., 2023, 33, 2211909.
[73] Zhang J. L., Sun W. P., Ding L. C., Wu Z. C., Gao F., ACS Sustainable Chem. Eng., 2021, 9, 5230.
[74] Jia B. B., Li L. D., Xue C., Kang J. X., Liu L. M., Guo T. Q., Wang Z. C., Huang Q. Z., Guo S. J., Adv. Mater., 2023, 35, 2305587.
[75] Yang Z., Zhang S., Zhao H., Li A. R., Luo L., Guo L., ACS Catal., 2021, 11, 11542.
[76] Miao X., Chen W. X., Lv S. N., Li A. R., Li Y. H., Zhang Q. H., Yue Y. H., Zhao H. W., Liu L. M., Guo S. J., Guo L., Adv. Mater., 2023, 35, 2211790.
[77] Wang X., Li Y. G., Wang S., Zhou F., Das P., Sun C. L., Zheng S. H., Wu Z. S., Adv. Energy Mater., 2020, 10, 2000081.
[78] Wang R., Dai H. H., Zhang T., Zhou J. B., Yin L., Zhou J. Y., Sun G. Z., Adv. Funct. Mater., 2025, 35, 2421857.
[79] Wan J., Fang G. Y., Mi S. Y., Yu H. M., Xian J. L., Fan M., Wu Z., Wei L. Y., Ma X. R., Cai J. Y., You Y. F., Wang D. W., Xu W. L., Jiang H. Y., Jin H. Y., Chem. Eng. J., 2024, 488, 150912.
[80] Jia B. B., Chen W. X., Luo J., Yang Z., Li L. D., Guo L., Adv. Mater., 2020, 32, 1906582.
[81] Liu J. Y., Liu Y. Y., Wang Y. Q., Zheng L. R., He W. H., Han M. J., Gan L., Waterhouse G. I. N., Liu J. L., Li J., Small, 2025, 21, e12000.
[82] Zhou M., Xu Y., Wang C. L., Li Q. W., Xiang J. X., Liang L. Y., Wu M. H., Zhao H. P., Lei Y., Nano Energy, 2017, 31, 514.
[83] Zhang X., Ma X. L., Bi H. L., Zhang Y. F., Mi P. P., Liu F. R., Jin X. C., Chen Y., Zhang K., Wang J., Dong Y. F., Adv. Funct. Mater., 2025, 35, 2411990.
[84] Song H. B., Cui Y. F., Li Y. F., Li X. L., Li Y. X., Zhao N., Li W. J., Wu C., Xi S. B., Huang S. Z., Yang H. Y., Sci. Adv., 2025, 11, 7502.
[85] Chen S., Jiang H., Cheng Q. L., Wang G. C., Saha P., Li C. Z., Chem. Eng. J., 2021, 403, 126380.
[86] Owusu K. A., Wang Z. Y., Saad A., Boakye F. O., Mushtaq M. A., Tahir M., Yasin G., Liu D. Q., Peng Z. C., Cai X. K., Energy Environ. Mater., 2024, 7, e12545.
[87] Li X. Y., Luo X. J., Chen D. S., Yang L. X., Wang H., Gao T., Liu Y. S., Lin J., Adv. Mater., 2025, 37, 2417763.
[88] Li J. E., Luo S., Zhang B., Lu J. L., Liu W. L., Zeng Q. X., Wan J., Han X. Y., Hu C. G., Nano Energy, 2021, 79, 105410.
[89] Nguyen K. N., Tran T. N. N., Tran K. T. T., Tran M. V., Vu N. H., Nguyen T. T., Kawazoe Y., Pham V. V., Energy Mater. Adv., 2025, 6, 0162.
[90] Feng J. H., Zhang T., Yang Z., Qian K. Y., Wang X., Song W. Q., Qiao P. Z., Ding J., Hu W. B., Chem. Eng. J., 2025, 503, 158213.
[91] Zhang N., Du J. Y., Zhou N., Wang D. P., Bao D., Zhong H. X., Zhang X. B., Chin. J. Catal., 2023, 53, 134.
[92] Duan Y., Yu Z. Y., Hu S. J., Zheng X. S., Zhang C. T., Ding H. H., Hu B. C., Fu Q. Q., Yu Z. L., Zheng X., Zhu J. F., Gao M. R., Yu S. H., Angew. Chem. Int. Ed., 2019, 58, 15772.
[93] Zhao Y., Gao S., Chen X. Y., Liu Y., Zhang M. J., Liu Y. F., Kang J. X., Guo T. Q., Liu L. M., Guo L., J. Am. Chem. Soc., 2025, 147, 31722.
[94] Wang Y. T., Li H. J., Zhou W., Zhang X., Zhang B., Yu Y. F., Angew. Chem. Int. Ed., 2022, 61, e202202604.
[95] Liu W., Li C., Xu Q., Yan P. F., Niu C. Y., Shen Y. L., Yuan P. F., Jia Y., ChemCatChem, 2019, 11, 5412.
[96] Li J. M., He S., Han X., Liu X. C., Jin Q., He D. Y., Wang Y., Shen X. S., Wu G., Hong X., Adv. Mater., 2026, 38, e20300.
[97] Zhang D., Lu H. F., Duan C. X., Yuan X. Y., Zhu Z. J., Qin Y., Song Y. H., Jin Y., Energy Mater. Adv., 2025, 6, 0141.
[98] Liu X. H., Yang K. Y., Zhang L. S., Wang W. T., Zhou S. D., Wu B., Xiong M. Y., Yang S. C., Tan R., Energy Mater. Adv., 2024, 5, 0131.
[99] Liu Y. B., Madanchi A., Anker A. S., Simine L., Deringer V. L., Nat. Rev. Mater., 2025, 10, 228.
[100] Finkler J. A., Lin Y., Du T., Hu J. L., Smedskjaer M. M., Adv. Mater., 2026, 38, e22493.