目前，隨著化石能源不斷被大量消耗，全球都面臨著巨大的能源危機(jī)。大量燃燒化石燃料帶來(lái)了嚴(yán)重的空氣污染與溫室效應(yīng)等環(huán)境問(wèn)題。為了解決該問(wèn)題，全球科學(xué)家都在追尋綠色高效可持續(xù)的能源轉(zhuǎn)化系統(tǒng)與技術(shù)。為了實(shí)現(xiàn)能源的高效轉(zhuǎn)化與儲(chǔ)存，電催化劑起著不可或缺的重要作用。然而，傳統(tǒng)貴金屬催化劑不僅面臨使用成本高昂的挑戰(zhàn)還容易產(chǎn)生催化劑中毒的問(wèn)題。因此，科學(xué)家們一直在努力開發(fā)非金屬如碳基催化劑材料來(lái)替代傳統(tǒng)貴金屬，而其中石墨炔成為了最具潛力的新型電催化劑材料。石墨炔，是我國(guó)具有自主產(chǎn)權(quán)的新型碳材料，具有獨(dú)特的電子結(jié)構(gòu)和形貌特征，在能源、催化、生物醫(yī)學(xué)以及分離等領(lǐng)域都具備重要應(yīng)用前景。
近日，香港理工大學(xué)的黃勃龍教授課題組針對(duì)石墨炔電催化劑材料在能源領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行了綜述，從石墨炔本征結(jié)構(gòu)到其在不同能源體系的應(yīng)用進(jìn)行了全面的討論，包括電催化反應(yīng)、電池系統(tǒng)以及小分子催化反應(yīng)等，最后作者展望了石墨炔電催化劑未來(lái)發(fā)展的挑戰(zhàn)與方向。研究成果以題為“Graphdiyne based catalysts for energy applications”發(fā)布在Materials Frontier Chemistry。
圖1?不同碳基材料材料的結(jié)構(gòu)對(duì)比
首先，一般常見的碳基材料如無(wú)定形碳、碳纖維、富勒烯、碳納米管和石墨烯等，其特點(diǎn)是具備sp3與sp2雜化。與這些常見碳材料相比，石墨炔具有獨(dú)特的sp+sp2雜化方式并決定了它的獨(dú)特分子構(gòu)型。此外，不同于其他碳材料，石墨炔具有由苯環(huán)、C≡C鍵構(gòu)成的三角形環(huán)狀結(jié)構(gòu)，形成了本征均勻分布的孔道結(jié)構(gòu)。因此，石墨炔豐富的碳化學(xué)鍵、高共軛性、均勻分散的孔道構(gòu)型以及可調(diào)控的電子結(jié)構(gòu)都奠定了其在能源領(lǐng)域的巨大潛力。
圖2?不同石墨炔催化劑在HER反應(yīng)中的性能對(duì)比
石墨炔優(yōu)異的材料優(yōu)勢(shì)使其可以實(shí)現(xiàn)多樣化的調(diào)控，包括摻雜，錨定，以及與其他材料進(jìn)行復(fù)合。石墨炔材料可以與MoS2，WS2?等過(guò)渡金屬硫?qū)倩衔镞M(jìn)行穩(wěn)定復(fù)合進(jìn)一步提升產(chǎn)氫催化的性能。由于均勻分布的孔道結(jié)構(gòu)，單個(gè)金屬原子也可以穩(wěn)定錨定在石墨炔表面，從而實(shí)現(xiàn)高效穩(wěn)定的石墨炔原子催化劑。此外，石墨炔還能夠通過(guò)摻雜對(duì)電子結(jié)構(gòu)進(jìn)行進(jìn)一步的調(diào)控，如N，F(xiàn)原子的摻雜都能夠有效提升石墨炔電催化活性并在不同溶液環(huán)境中均展現(xiàn)出優(yōu)異的穩(wěn)定性。
在水分解反應(yīng)中，石墨炔材料可以與多元氧化物進(jìn)行復(fù)合從而實(shí)現(xiàn)優(yōu)異的電催化性能。例如，NiCo2S4與石墨炔復(fù)合后，在酸性和堿性環(huán)境下都具備良好的水分解性能，在堿性20 mA cm2的電流密度下僅需要1.56 V的電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)超過(guò)140小時(shí)的穩(wěn)定水分解。而與常見的OER催化劑NiFeLDH材料進(jìn)行復(fù)合之后，也能夠?qū)崿F(xiàn)HER和OER雙功能催化。這是因?yàn)槭膊粌H能夠有效轉(zhuǎn)移傳輸電子與其他材料形成強(qiáng)相互作用，還能夠提供很大的比表面積與足夠的活性位點(diǎn)來(lái)促進(jìn)電催化反應(yīng)的進(jìn)行。
圖4?不同石墨炔催化劑在電池系統(tǒng)中的性能對(duì)比
除了電催化反應(yīng)之外，石墨炔電催化劑在電池系統(tǒng)中的表現(xiàn)同樣出色。石墨炔骨架中天然的孔道提供了充足的離子存儲(chǔ)位點(diǎn)，可以有效地穩(wěn)定插入的金屬離子。此外，石墨炔3D的孔道結(jié)構(gòu)還提供了有效的傳輸通道，有利于離子充放電循環(huán)中的平滑擴(kuò)散。因此，石墨炔電催化劑在鋰離子電池與鈉離子電池等電池系統(tǒng)中均有出色的性能表現(xiàn)。
該綜述以不同的化學(xué)能源系統(tǒng)為基礎(chǔ)，從形貌控制，雜原子取代和復(fù)合結(jié)構(gòu)修飾等角度全面探討了石墨炔電催化劑中結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系，最后作者對(duì)于石墨炔電催化劑未來(lái)在電化學(xué)能源領(lǐng)域中的發(fā)展和研究方向做了展望。
Graphdiyne based catalysts for energy applications
Tong Wu, Mingzi Sun and Bolong Huang
Mater. Chem. Front.,?2021,?5,?7369-7383
https://doi.org/10.1039/D1QM00796C
香港理工大學(xué) 應(yīng)用生物及化學(xué)科技學(xué)系
黃勃龍教授2007年畢業(yè)于北京大學(xué)物理系，同年前往劍橋大學(xué)從事材料理論研究，并于2012年獲得博士學(xué)位。2012-2015年，黃勃龍教授于北京大學(xué)跟隨嚴(yán)純?nèi)A院士并在其指導(dǎo)下開展博士后研究, 后赴香港城市大學(xué)和香港理工大學(xué)繼續(xù)博士后的相關(guān)研究，并于2015年入職香港理工大學(xué)擔(dān)任助理教授至今。黃勃龍教授的研究方向主要為納米材料、能源材料、固體功能材料和稀土材料的電子態(tài)性質(zhì)，以及在能源材料納米表界面、多尺度下的能源轉(zhuǎn)換應(yīng)用等。目前黃勃龍共發(fā)表SCI論文190余篇，H-index為38，文章引用次數(shù)超過(guò)6100次。此外，黃勃龍教授還擔(dān)任多本期刊的青年編輯或編委，還10余次受邀在國(guó)內(nèi)國(guó)際重要學(xué)術(shù)會(huì)議上做邀請(qǐng)報(bào)告，其中包括2019美國(guó)材料年會(huì)等。同時(shí)，黃勃龍教授還擔(dān)任多個(gè)高影響力期刊的特邀審稿人。
