李玉良院士：石墨炔烴的未來！

李玉良院士：石墨炔烴的未來！

李玉良，中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所研究員，中國(guó)科學(xué)院大學(xué)教授、博士生導(dǎo)師，中國(guó)科學(xué)院院士。

1。綜述了石墨烯在電子結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能、孔結(jié)構(gòu)、化學(xué)活性和穩(wěn)定性等方面的特點(diǎn)。闡述了石墨烯作為一種化學(xué)能材料的自然潛力和優(yōu)勢(shì)。

2。結(jié)合電化學(xué)能器件面臨的挑戰(zhàn)和關(guān)鍵科學(xué)問題，闡述了石墨烯電化學(xué)能器件的優(yōu)點(diǎn)。

石墨炔烴是一種新型的二維碳材料。石墨炔烴是李玉良院士于2010年首次制備的碳同素異形體，在國(guó)內(nèi)外引起廣泛關(guān)注，是一種極具發(fā)展?jié)摿Φ男滦吞纪禺愋误w。石墨炔烴由于其特殊的電子結(jié)構(gòu)SP和SP2以及固有的帶隙，表現(xiàn)出碳材料難以出現(xiàn)的特性，近年來石墨炔烴在鋰離子電池、催化劑、太陽能電池、電化學(xué)驅(qū)動(dòng)器等方面進(jìn)行了一系列前沿研究。并取得了顯著的研究成果。

為此，中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所李玉良院士對(duì)石墨炔烴的內(nèi)在性質(zhì)進(jìn)行了深入的分析。結(jié)合電化學(xué)能轉(zhuǎn)換中電化學(xué)界面的關(guān)鍵問題，提出了一種新的石墨-炔烴基電化學(xué)界面，為解決電化學(xué)能轉(zhuǎn)換裝置中的許多關(guān)鍵科學(xué)問題提供了新的認(rèn)識(shí)和理解，指出了石墨的研究領(lǐng)域。有挑戰(zhàn)和機(jī)遇。

碳材料是電化學(xué)能量轉(zhuǎn)換器的重要組成部分。與傳統(tǒng)的碳材料相比，石墨烯在合成和結(jié)構(gòu)上顯示出許多優(yōu)勢(shì)（圖1）。

它的制備條件溫和友好（通常低于100攝氏度）。它可以在液相體系中的各種基體上原位制備，改變了傳統(tǒng)的碳材料合成方法，石墨-乙炔具有平面內(nèi)孔結(jié)構(gòu)，可以通過前驅(qū)體的設(shè)計(jì)精確控制，獲得優(yōu)良的選擇性滲透性。利用具有特定功能的雜原子和官能團(tuán)對(duì)石墨-乙炔進(jìn)行改性，調(diào)整其能帶結(jié)構(gòu)、化學(xué)和物理性質(zhì)。機(jī)械模量和強(qiáng)度可根據(jù)不同的應(yīng)用需要進(jìn)行調(diào)整，石墨炔烴由于在尺寸平面上具有很高的共軛性，具有良好的電荷轉(zhuǎn)移和載流子遷移率。SP和SP2的混合二維網(wǎng)狀碳結(jié)構(gòu)使石墨炔烴具有獨(dú)特的化學(xué)活性和物理穩(wěn)定性（圖2）。

石墨烯的特性表明，它是一種獨(dú)特的電化學(xué)能量轉(zhuǎn)換材料，是解決電化學(xué)器件中電極界面問題的關(guān)鍵材料，可能影響能量場(chǎng)的發(fā)展。

電化學(xué)界面行為的研究是電化學(xué)能量轉(zhuǎn)換裝置研究的重要組成部分，包括界面結(jié)構(gòu)、界面反應(yīng)、反應(yīng)熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)。

在鋰離子電池的正極和負(fù)極材料中，不穩(wěn)定的電化學(xué)界面是導(dǎo)致高電荷轉(zhuǎn)移電阻、材料結(jié)構(gòu)衰減和電池膨脹的主要因素之一，在高能量密度的正負(fù)電極（Si、Ge和高鎳電極）中，不穩(wěn)定的電極界面會(huì)導(dǎo)致電池的電性能下降。礦石性能和安全問題嚴(yán)重，堿金屬電池中，界面不穩(wěn)定會(huì)產(chǎn)生堿金屬樹枝晶，這是電池效率低、循環(huán)不良、安全性低的重要原因，通過構(gòu)建穩(wěn)定的人工電液界面可以有效地解決堿金屬枝晶問題。離子可以選擇性穿透的電碼。

在燃料電池中，催化劑界面的性質(zhì)決定了催化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)、反應(yīng)過程、物料輸送和反應(yīng)選擇性，碳材料的表面性質(zhì)影響活性物質(zhì)的輸送和與催化劑的界面接觸，從而影響系統(tǒng)的反應(yīng)阻抗和極化。如何提高和穩(wěn)定催化劑的界面活性以及與碳載體的界面接觸是燃料電池的研究熱點(diǎn)。

在超級(jí)電容器的研究中，很多工作只關(guān)注如何提高電極材料的比表面積，而忽略了如何提高電極表面的潤(rùn)濕性。

新材料的出現(xiàn)和新電極界面的構(gòu)建，為解決上述電化學(xué)能量轉(zhuǎn)換器的關(guān)鍵問題提供了可行的思路，石墨烯的大量研究工作顯示了構(gòu)建這種特殊電極界面的巨大潛力（圖3）。

近年來，石墨烯獨(dú)特的結(jié)構(gòu)在高效電化學(xué)能量轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用中顯示出前所未有的能量轉(zhuǎn)換效率。

在理論計(jì)算中，石墨烯獨(dú)特的三角形空穴及其富炔碳骨架具有良好的捕獲和穩(wěn)定金屬單原子的功能。在二維石墨烯上均勻地錨定具有催化活性的金屬單原子，可以有效地增加催化劑的活性面積，減少金屬負(fù)載。

在單原子鐵鎳催化劑的制備過程中，石墨烯的富電子性和平面上的三角形孔結(jié)構(gòu)首先實(shí)現(xiàn)了零價(jià)鐵鎳原子的錨定，得到了大面積的零價(jià)金屬原子催化劑（圖4），該系列單原子催化劑在制備過程中具有顯著的作用。電催化析氫。這些催化劑的電催化活性和使用壽命明顯優(yōu)于報(bào)道的常規(guī)催化劑。為新型石墨烯基單體催化劑在其它領(lǐng)域的應(yīng)用提供了一定的實(shí)驗(yàn)和理論依據(jù)。

在高性能催化劑的設(shè)計(jì)和制備中，需要明確與催化劑性能和重復(fù)可控制備有關(guān)的催化劑界面缺陷的類型，石墨烯的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)使控制化學(xué)活性缺陷位置的結(jié)構(gòu)成為可能。

由于石墨烯是合成SP碳原子的第一種碳材料，因此石墨烯的雜原子摻雜呈現(xiàn)出傳統(tǒng)碳材料所不具備的新特性。通過對(duì)石墨烯-sp-碳原子的氮摻雜，可以實(shí)現(xiàn)一種新型的sp-氮原子摻雜碳材料。這種新型氮摻雜在改善石墨烯電催化氧還原過程和堿性方面具有突出的優(yōu)勢(shì)，在酸性條件下，該催化劑的性能優(yōu)于大多數(shù)非金屬催化劑，充分顯示了新型SP氮原子摻雜在電催化應(yīng)用中的前景。同時(shí)，通過選擇性取代石墨烯上的sp2碳原子，可以獲得大量的吡啶氮摻雜石墨烯。實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步證明，吡啶氮摻雜石墨汀對(duì)非金屬碳材料的催化氧還原具有良好的催化性能。

石墨炔烴具有低溫、生長(zhǎng)溫和的特點(diǎn)，可以與傳統(tǒng)半導(dǎo)體材料很好地結(jié)合，實(shí)現(xiàn)新型異質(zhì)結(jié)界面的構(gòu)建。

例如，在硫化鉬與石墨烯非均相界面的設(shè)計(jì)與施工中，兩種半導(dǎo)體的結(jié)合實(shí)現(xiàn)了金屬態(tài)的轉(zhuǎn)變，從而大大優(yōu)化了電催化析氫過程中復(fù)合材料的自由能，提高了其催化活性。設(shè)計(jì)和制備的催化劑在酸性和堿性條件下均表現(xiàn)出良好的催化活性和穩(wěn)定性，新型異質(zhì)結(jié)表面可用于制備高性能的析氫光催化劑，石墨炔烴具有良好的空穴傳輸能力，抑制了載體復(fù)合，有效地提高了轉(zhuǎn)化率。離子效率。高效光催化劑可以與CdSe量子點(diǎn)和G-c3n4結(jié)合成功地合成，用于制氫（圖6）。

在能量轉(zhuǎn)換方面，電能直接轉(zhuǎn)化為機(jī)械能也是學(xué)者們研究的熱點(diǎn)。它在人工智能領(lǐng)域具有重要意義。石墨烯-乙炔二維碳結(jié)構(gòu)為電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能提供了一種新的研究思路。

近年來，通過研究石墨炔烴在能量轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的過程中乙炔鍵的變化，發(fā)現(xiàn)乙炔轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的新機(jī)理有助于實(shí)現(xiàn)高效率和高能量密度（圖7），電化學(xué)的能量轉(zhuǎn)化效率石墨烯乙炔作動(dòng)器高達(dá)6.03%，優(yōu)于壓電材料、記憶合金等傳統(tǒng)材料，能量密度為11.5kJ m 3，相當(dāng)于哺乳動(dòng)物肌肉組織的能量密度，同時(shí)具有良好的循環(huán)壽命。

在儲(chǔ)能方面，石墨烯可以在硅和氧化物陽極上原位生長(zhǎng)（圖8），形成全碳導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，有利于電子和離子的快速傳輸和高性能陽極的制備。同時(shí)，全碳骨架結(jié)構(gòu)在穩(wěn)定和保護(hù)電化學(xué)電極界面、提高電解質(zhì)穩(wěn)定性等方面發(fā)揮了重要作用，石墨炔烴具有選擇性離子滲透性、良好的二維力學(xué)性能和電化學(xué)穩(wěn)定性，具有良好的電化學(xué)穩(wěn)定性。對(duì)研究石墨烯作用下界面金屬的沉積過程、界面反應(yīng)和界面穩(wěn)定性具有重要的科學(xué)和學(xué)術(shù)意義。

對(duì)于鋰硫電池來說，原子級(jí)孔具有很好的鋰離子選擇透過率，是解決多硫化物穿梭效應(yīng)的一種很好的方法。同時(shí)，在具有富電子特性的石墨烯骨架上，電極界面的反應(yīng)過程可能發(fā)生顯著的變化，石墨烯的高化學(xué)活性使其有可能獲得具有高離子輸運(yùn)和選擇性的二維固態(tài)電解質(zhì)膜結(jié)構(gòu)，這是提高其性能的關(guān)鍵。高能量密度金屬電池的安全性和壽命。

石墨炔烴在高能量密度鋰離子電池的應(yīng)用中具有很大的潛力，例如石墨烯可以無縫地涂在高鎳陰極表面，以穩(wěn)定電極的界面結(jié)構(gòu)和主要結(jié)構(gòu)，提高其安全性能。原位生長(zhǎng)法制備的石墨烯無縫導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，真正解決了有機(jī)小分子陰極材料的溶解性和導(dǎo)電性差的問題，有機(jī)小分子陰極材料資源豐富，易于裁剪，容量大。

石墨烯的發(fā)現(xiàn)為貴金屬與石墨烯之間建立新的電化學(xué)界面，實(shí)現(xiàn)高效、高選擇性、高穩(wěn)定性的貴金屬催化劑提供了新的空間。這可能是促進(jìn)燃料電池發(fā)展的有效途徑，也為研究石墨烯多孔結(jié)構(gòu)的限制效應(yīng)、復(fù)合界面的協(xié)同效應(yīng)、中間過程和反應(yīng)機(jī)理以及催化劑的抗中毒機(jī)理帶來了新的概念。

（1）生長(zhǎng)方法：大面積制備高結(jié)晶度單層和少數(shù)層石墨烯薄膜，研究了石墨烯的生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)，揭示了影響石墨烯從非晶態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榫B(tài)的主要因素。

（2）表征：獲得大面積、高趨勢(shì)的石墨烯原子相結(jié)構(gòu)，深入了解光學(xué)、聲學(xué)、磁學(xué)等的內(nèi)在性質(zhì)，發(fā)展無損石墨薄膜轉(zhuǎn)移方法和制備高質(zhì)量器件是人們關(guān)注的焦點(diǎn)。

（4）界面分析：先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)方法表征了界面結(jié)構(gòu)和界面協(xié)同作用，在高結(jié)晶電極表面原位生長(zhǎng)少量或單晶態(tài)石墨烯并研究其原位效應(yīng)是一種有效的方法。

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