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。大量燃燒化石燃料帶來了嚴重的空氣污染與溫室效應等環境問題。為了解決該問題，全球科學家都在追尋綠色高效可持續的能源轉化系統與技術。為了實現能源的高效轉化與儲存，電催化劑起著不可或缺的重要作用。然而，傳統貴金屬催化劑不僅面臨使用成本高昂的挑戰還容易產生催化劑中毒的問題。因此，科學家們一直在努力開發非金屬如碳基催化劑材料來替代傳統貴金屬，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，是我國具有自主產權的新型碳材料，具有獨特的電子結構和形貌特征，在能源、催化、生物醫學以及分離等領域都具備重要應用前景。
近日，香港理工大學的黃勃龍教授課題組針對石墨炔電催化劑材料在能源領域的應用進行了綜述，從石墨炔本征結構到其在不同能源體系的應用進行了全面的討論，包括電催化反應、電池系統以及小分子催化反應等，最后作者展望了石墨炔電催化劑未來發展的挑戰與方向。研究成果以題為“Graphdiyne based catalysts for energy applications”發布在Materials Frontier Chemistry。
首先，一般常見的碳基材料如無定形碳、碳纖維、富勒烯、碳納米管和石墨烯等，其特點是具備sp3與sp2雜化。與這些常見碳材料相比，石墨炔具有獨特的sp+sp2雜化方式并決定了它的獨特分子構型。此外，不同于其他碳材料，石墨炔具有由苯環、C≡C鍵構成的三角形環狀結構，形成了本征均勻分布的孔道結構。因此，石墨炔豐富的碳化學鍵、高共軛性、均勻分散的孔道構型以及可調控的電子結構都奠定了其在能源領域的巨大潛力。
石墨炔優異的材料優勢使其可以實現多樣化的調控，包括摻雜，錨定，以及與其他材料進行復合。石墨炔材料可以與MoS2，WS2?等過渡金屬硫屬化合物進行穩定復合進一步提升產氫催化的性能。由于均勻分布的孔道結構，單個金屬原子也可以穩定錨定在石墨炔表面，從而實現高效穩定的石墨炔原子催化劑。此外，石墨炔還能夠通過摻雜對電子結構進行進一步的調控，如N，F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境中均展現出優異的穩定性。
在水分解反應中，石墨炔材料可以與多元氧化物進行復合從而實現優異的電催化性能。例如，NiCo2S4與石墨炔復合后，在酸性和堿性環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的電壓來實現超過140小時的穩定水分解。而與常見的OER催化劑NiFeLDH材料進行復合之后，也能夠實現HER和OER雙功能催化。這是因為石墨炔不僅能夠有效轉移傳輸電子與其他材料形成強相互作用，還能夠提供很大的比表面積與足夠的活性位點來促進電催化反應的進行。
除了電催化反應之外，石墨炔電催化劑在電池系統中的表現同樣出色。石墨炔骨架中天然的孔道提供了充足的離子存儲位點，可以有效地穩定插入的金屬離子。此外，石墨炔3D的孔道結構還提供了有效的傳輸通道，有利于離子充放電循環中的平滑擴散。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中均有出色的性能表現。
該綜述以不同的化學能源系統為基礎，從形貌控制，雜原子取代和復合結構修飾等角度全面探討了石墨炔電催化劑中結構與性能之間的關系，最后作者對于石墨炔電催化劑未來在電化學能源領域中的發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
黃勃龍教授2007年畢業于北京大學物理系，同年前往劍橋大學從事材料理論研究，并于2012年獲得博士學位。2012-2015年，黃勃龍教授于北京大學跟隨嚴純華院士并在其指導下開展博士后研究, 后赴香港城市大學和香港理工大學繼續博士后的相關研究，并于2015年入職香港理工大學擔任助理教授至今。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性質，以及在能源材料納米表界面、多尺度下的能源轉換應用等。目前黃勃龍共發表SCI論文190余篇，H-index為38，文章引用次數超過6100次。此外，黃勃龍教授還擔任多本期刊的青年編輯或編委，還10余次受邀在國內國際重要學術會議上做邀請報告，其中包括2019美國材料年會等。同時，黃勃龍教授還擔任多個高影響力期刊的特邀審稿人。
