石墨炔(GDY，Graphdiyne)是一種以sp、sp2雜化態形成的新型碳同素異形體，自2010年首次制備以來吸引了廣泛的興趣，并取得了實質性的進展。與采用高溫、低效、高成本的方法來制備常見sp2碳材料（石墨烯，碳納米管）相比，液相溫和溫度條件下石墨炔的制備具有明顯優勢，有望解決在鋰離子電池，超級電容器，光伏器件以及催化劑方面存在的科學問題。作為一種具有良好理論性能的人造碳材料，與常見全碳材料相似，雜原子摻雜可以進一步改善電化學設備性能。二維石墨炔性能優異，但是在一些必要的應用上，還沒顯示出更強的可編輯性；與常見的sp2碳材料一樣，在控制雜原子含量、摻雜構型和識別雜原子的活性作用面臨挑戰。
對此，中國科學院李玉良教授課題組通過定制GDY材料上N摻雜構型、N含量和微孔結構等使其具有良好可編輯性。在120℃空氣中無溶劑和金屬催化劑條件下，成功地將單N和三嗪類N團簇引入到GDY中。制備所得GDY具有較高的比表面積和良好的3D連續性，在雙電極超級電容器中表現出高能量密度（8.66Wh/kg）和功率密度（19.3kW/kg）。此外，這種材料在催化氧還原反應（ORR）方面也表現出良好性能。該成果發表在國際知名期刊Nano Energy上（影響因子：12.26）。
圖1.N0-DGY，N1-GDY和N3-GDY結構和制備示意圖。
圖2.（a，b）N0-GDY，（c，d）N1-GDY和（e，f）N3-GDY低和高倍率的SEM圖像; b），d）和f）中插圖表示粒度分布。
圖3.（a，b）GDY，（d，e）N1-GDY和（h，i）N3-GDY的TEM和HRTEM圖。N1-GDY（f，g）和N3-GDY（j，k）中C、 N的EDX元素映射。
圖4.在7.0M KOH水溶液電解質中的超級電容器性能：a）500mV /s時循環伏安曲線; b）恒流充/放電曲線c）不同電流密度下的比電容;d）在5A/g的充/放電電流密度下的電容保持。
通過相關的表征分析，N摻雜含量對電容性能有明顯影響。樣品中適當引入吡啶N，電容性能達到最大值，如N1-GDY具有相對優異的電化學性能。而N元素含量為16.55％的N3-GDY樣品，電容下降了約50％。結果表明，大量的吡啶N-摻雜不利于GDYs對快速充/放電行為的響應，因為這種結構的存在抑制了電子非定域化。此外，N0-GDY和N1-GDY都表現出優良的電化學性能，能量密度最高為8.66（N0-GDY）和8.55 Wh/kg（N1 GDY），功率密度最高為19.3（N0-GDY）和18.7kW/kg（N1-GDY），比許多報道的在雙電極設備上的sp2碳材料性能更好，歸因于材料的高表面積和高孔隙率。
圖5.a）Nyquist圖; b）標準電容與頻率的函數；c）波特圖;d）Ragone圖。
最后作者也研究了N摻雜GDY在氧還原反應（ORR）中的應用，結果表明N摻雜提升了電荷轉移過程從而改善催化反應，可替代貴金屬作為非金屬氧還原反應（ORR）催化劑。
圖6.a）CV曲線，b）LSV曲線；c）GDYs電極上每個O2的電子轉移數量。
材料的制備過程（N0-DGY，N1-GDY和N3-GDY的制備）：
將前驅體（六[（三甲基甲硅烷基）乙炔基]苯，胺五[（三甲基甲硅烷基）乙炔基]吡啶，氰脲[（三甲硅烷基）乙炔基]）分別溶于含有四丁基氟化銨（0.8ml）的四氫呋喃（30ml）溶液中，在0℃下攪拌10min。然后用乙醚稀釋溶液，并用鹽水洗滌，最后用無水Na2SO4干燥。接著將溶劑真空除去，得到灰白色粉末。然后將粉末緩慢轉移到空氣中的120℃預熱的錐形瓶中，進行幾秒鐘內發生輕微爆炸的超快速反應，得到深黑色的GDY。所得產物無需進一步處理，可以直接表征。
Hong Shang, Zicheng Zuo, Haiyan Zheng, Kuo Li, Zeyi Tu, Yuanping Yi, Huibiao Liu, Yongjun Li, Yuliang Li, N-doped Graphdiyne for High-Performance Electrochemical Electrodes, Nano Energy, 2017 , DOI:10.1016/j.nanoen.2017.11.072
化學慧納米材料系列產品：
石墨烯
