李玉良院士（shì）：石墨炔烴的未來！

李玉良院士：石墨炔烴的未來！

李玉良，中國科學院化學研究所研究員，中國科學院大學教授（shòu）、博士生導師，中（zhōng）國科學院院士。

1。綜述了石墨烯在電子結構、力（lì）學性能、孔結構、化學活性和（hé）穩定（dìng）性等方麵的特點。闡述了石墨烯作為（wéi）一種化學能材料的自然（rán）潛力和優勢。

2。結合電（diàn）化（huà）學能器件麵臨的挑戰和關鍵科學問題，闡述了石墨烯電化學（xué）能器件的優點。

石墨炔（quē）烴是一種（zhǒng）新型的二維碳材料。石墨炔烴是李玉良院士（shì）於2010年首次製備（bèi）的碳同素異形體，在國內外引起廣泛關注，是一種極具發展潛力的新型碳同素異形體。石墨炔（quē）烴由於其特殊的電子結構SP和SP2以及固有的（de）帶隙（xì），表現出碳材料難（nán）以出現的（de）特性，近年來石（shí）墨炔烴在鋰離子電池、催化劑、太陽能電池、電化學驅（qū）動器等方（fāng）麵進行了一係列前沿研究。並取得了（le）顯著的研究成（chéng）果。

為此，中國科（kē）學院化學研究所李玉良院士對石墨炔烴的（de）內在性質進行了深（shēn）入的分析。結合電化學能轉換中電化學界麵的關鍵（jiàn）問題，提出（chū）了一種新的石墨-炔（quē）烴基電化學界麵，為解（jiě）決電化學能轉換裝置中的許多關鍵科學問題提供了（le）新（xīn）的認識和理解，指出了石墨（mò）的研究領域。有挑戰和機遇。

碳材料是電化學能量轉（zhuǎn）換器的重要組（zǔ）成部分。與傳統的碳材料（liào）相比，石墨烯在合成和結構上顯示出許多優勢（圖（tú）1）。

它的製備條件溫和友好（通常低於100攝氏度）。它（tā）可以在液相體係中的各種基體上（shàng）原位製備，改變（biàn）了傳統的碳材料合成（chéng）方法，石墨-乙炔具有平（píng）麵內孔結構，可以通過（guò）前驅體的設計精確（què）控製（zhì），獲得優良的選擇性滲透（tòu）性。利用具有特定功能的雜原子和官能團對石墨-乙炔進行改性，調整其能帶結構、化學和物理性質。機械模量和強度可（kě）根據不同的應（yīng）用需要（yào）進（jìn）行調整（zhěng），石墨炔烴由於在尺寸平麵上具有很高的共軛性，具有良好的（de）電荷轉移和載流子遷移（yí）率。SP和SP2的混合二維網狀碳結構（gòu）使石墨（mò）炔烴具有（yǒu）獨特的化學活性和物理穩定性（圖2）。

石墨烯（xī）的特（tè）性表明，它是一種（zhǒng）獨特的電化學（xué）能量轉換材料，是解決電化學器件中電極界麵問題（tí）的關（guān）鍵材料，可能影響能量場的發展。

電化學界麵行為的（de）研究是電化學能量轉換（huàn）裝置研究的重要組成部分，包括（kuò）界麵結構、界麵反應、反應熱力學和動（dòng）力學。

在鋰離子電池的正極和（hé）負（fù）極材料（liào）中，不穩定的電化學界麵是導致高電荷轉移電阻、材料結（jié）構衰減和電池膨脹的主（zhǔ）要因素之一（yī），在高能量密度的正負（fù）電極（Si、Ge和高鎳電極）中，不穩定的電極界麵（miàn）會導致電池（chí）的電性能下降。礦石性能和安全問題嚴重，堿金屬電池中，界麵不穩（wěn）定會產生堿金（jīn）屬樹枝晶（jīng），這是電池效（xiào）率低、循環不良、安全性低的重要原因，通（tōng）過構建穩定（dìng）的人工電液界（jiè）麵可以有效地解決堿金屬枝（zhī）晶問題（tí）。離子可以選擇性（xìng）穿透的電碼。

在燃料電池中，催化劑界麵（miàn）的性（xìng）質決定了催化反應動力學、反應過（guò）程、物料輸送和反應選擇性，碳材（cái）料的表麵性質影響（xiǎng）活（huó）性（xìng）物質的輸送和與催化劑的界麵（miàn）接（jiē）觸，從而影響係統（tǒng）的反應阻抗和極化（huà）。如何提（tí）高（gāo）和穩定催化劑的界麵活性以及與碳載體（tǐ）的界麵接觸是燃料電池的研究熱點。

在超（chāo）級電容（róng）器的研究中，很（hěn）多工作隻關注如何提高（gāo）電極材料的比表麵積，而（ér）忽略了如何提高電極表麵的潤濕性（xìng）。

新材料的出現和新電（diàn）極界麵的（de）構建，為解決上（shàng）述電化學能量轉換（huàn）器的關鍵問題提（tí）供了可行的（de）思路，石墨烯的大量研（yán）究工作顯示（shì）了構建這種特殊電極界麵的巨大潛力（圖3）。

近年（nián）來，石墨烯獨特的結構在高效電化學能量轉換器的應用中顯示（shì）出前（qián）所未有的能量轉換效率（lǜ）。

在理論計算中，石（shí）墨烯獨特的三角形空穴及其（qí）富炔碳骨架具有良好的捕獲和穩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（de）金屬單原子，可以有效地增加催化（huà）劑的活性麵積，減少金屬負（fù）載。

在單原子鐵鎳催化劑的製備過程中，石墨烯的富電子性和平麵上的三角形孔結構首先實現了（le）零價鐵鎳（niè）原子的錨定，得到（dào）了大麵積的零價（jià）金屬原子催化劑（圖4），該係列（liè）單原子催化（huà）劑在製備過程（chéng）中具有顯著的作用。電催（cuī）化析氫（qīng）。這些催化劑的電催化活性和使用壽命明顯優於報道的常規催化劑。為（wéi）新型石（shí）墨烯基單體催化劑在其它領域的應用提供了一定的（de）實（shí）驗和（hé）理論依據。

在高性能催化（huà）劑的設計和製備（bèi）中，需（xū）要明（míng）確與催化（huà）劑性能和重複可控製備（bèi）有關的（de）催（cuī）化劑界麵（miàn）缺陷的（de）類型，石墨烯的結（jié）構特點（diǎn）使（shǐ）控製化學活性缺陷位置的結構成為可（kě）能。

由於石墨烯是合成SP碳原子的第一種碳材料，因此石墨烯的雜原子摻雜呈現出傳統碳（tàn）材（cái）料所不具備的新特性。通（tōng）過對石墨烯-sp-碳原子的氮摻雜，可以實現一種新型的（de）sp-氮原子（zǐ）摻雜（zá）碳材料。這種新型氮摻（chān）雜在改善石墨烯電催化氧（yǎng）還原過程和堿性方麵具有突出的優（yōu）勢，在酸性條件下，該（gāi）催化劑的性能優於大多（duō）數非金屬催化劑，充（chōng）分顯示了新型SP氮原子摻雜（zá）在電催化應用中的前景。同時，通過選擇性取代（dài）石墨烯上（shàng）的sp2碳原子，可（kě）以獲得大量的吡啶氮（dàn）摻雜石墨烯。實驗進一步（bù）證明，吡啶氮摻雜石墨汀對非金屬碳（tàn）材（cái）料的催化氧還原（yuán）具有良好（hǎo）的催化性能。

石墨炔烴（tīng）具（jù）有低溫、生長溫和的特點（diǎn），可以與傳統半導體材料（liào）很好（hǎo）地結合，實現新型異質結界（jiè）麵的構建。

例如，在硫化鉬與石墨烯（xī）非均相界麵的設計與施工中，兩種半導體的結合實現（xiàn）了金屬態的轉變，從而大大優化了電催化析氫過程中複合材料的自（zì）由能（néng），提高了其催化活性。設計（jì）和製備的催化劑在酸性和堿性條件下均表現出良好的催（cuī）化活性和穩定性，新（xīn）型異質結表麵可用於（yú）製備高性能的（de）析氫光催化劑，石墨炔烴具有良好的空穴（xué）傳輸能力，抑製了載體複合，有效地提高了（le）轉化率。離子效率。高效光催化（huà）劑可以與CdSe量子點和G-c3n4結合成功地合成，用於（yú）製氫（圖6）。

在能量轉換方麵，電能（néng）直接轉化（huà）為機械能也是學者們研究的熱點。它（tā）在人工（gōng）智能領域具有重要意義。石墨烯-乙炔（quē）二（èr）維碳結構為（wéi）電（diàn）能轉化為（wéi）機械能提供了一種新（xīn）的研究思路。

近年來，通過研究石墨炔烴在能量轉化為機械能的過程中乙炔鍵的變化，發現乙炔（quē）轉化為機械能的新機理（lǐ）有助於（yú）實（shí）現（xiàn）高效率和高能量密度（dù）（圖7），電化學的能（néng）量轉化效率石墨烯（xī）乙炔作（zuò）動器高（gāo）達6.03%，優於（yú）壓電材料、記憶合金等傳統材料（liào），能量密度為11.5kJ m 3，相當（dāng）於哺乳（rǔ）動物肌肉組織的（de）能量（liàng）密（mì）度，同時具有良好的循環壽命。

在儲能方麵，石墨烯可（kě）以在矽和氧化物（wù）陽極上原位生長（圖8），形成全碳導電網絡結構，有利於電子和離（lí）子的快速傳輸（shū）和高性能陽極的製備。同（tóng）時，全碳骨架結構在穩定和保護電化（huà）學電極界麵、提高電解質穩（wěn）定性等方麵發揮了重要作用，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（hé）電（diàn）化學穩定性，具有良好的電化學穩（wěn）定性。對研究（jiū）石墨烯作用下界麵（miàn）金屬的（de）沉積過程、界麵反應和（hé）界麵穩定性具有重要的科學和學術意義。

對於鋰硫電（diàn）池來說，原（yuán）子級孔具有很好的鋰離子（zǐ）選（xuǎn）擇透過率，是解決多（duō）硫化物（wù）穿梭效應（yīng）的一（yī）種很好的方法。同時，在具有富電子特性的石墨烯骨架上，電極界麵（miàn）的反（fǎn）應（yīng）過程可能發生顯著的變化，石墨烯的高化學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電解質膜結構，這是提高其性能的關鍵。高能量密度金屬電池的安全性和（hé）壽命。

石墨炔烴在高（gāo）能量（liàng）密度鋰離子電池的應用中（zhōng）具有很大的潛力，例如石墨烯可以無縫（féng）地塗在高鎳陰極表麵（miàn），以穩定電極的界（jiè）麵結（jié）構和主要結構（gòu），提高其安全性能。原位生長法製備的石墨烯無縫導電網絡，真正解決了有（yǒu）機小分子陰極材料（liào）的溶解性（xìng）和導電（diàn）性差的問題，有機小分（fèn）子陰極（jí）材料資源豐（fēng）富，易於（yú）裁剪，容量大。

石墨烯的（de）發現為貴金（jīn）屬與石墨烯之間建立新的電化（huà）學界麵（miàn），實現高效、高選擇性、高穩定性的貴金屬催化劑提供了新的空間。這（zhè）可能是促（cù）進燃料電池發展的有效途徑，也為研究（jiū）石墨（mò）烯多孔結構的限製效應（yīng）、複合界麵的（de）協同效應、中間過程和反應機理以及催（cuī）化劑的抗中毒機理帶來了新的概念。

（1）生長方法（fǎ）：大麵積製備高結晶度單層和少數層石墨烯薄（báo）膜，研究了石墨烯的生長動力學，揭示了影響石墨烯從非晶態轉變為晶態的主要因素（sù）。

（2）表征：獲得大麵積（jī）、高趨勢（shì）的石墨烯原子（zǐ）相（xiàng）結構，深入了解（jiě）光（guāng）學（xué）、聲學、磁學等的內在性質，發展無損石墨薄膜轉移方法和製備高（gāo）質（zhì）量器（qì）件是人們關注的焦點。

（4）界麵（miàn）分析：先進的實驗（yàn）方法表征了界麵結構和界麵協同作用，在（zài）高結晶電極表麵原位生長少量或單晶態石墨烯並研究其原位效應是一種（zhǒng）有效的方（fāng）法。

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