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，中國科學院化學研究所研究員，中國科學院大學教授、博士生導師，中國科學院院士。

1。綜述了石墨烯在電子結構、力學性能、孔結構、化學活性和穩定性等方面的特點。闡述了石墨烯作為一種化學能材料的自然潛力和優勢。

2。結合電化學能器件面臨的挑戰和關鍵科學問題，闡述了石墨烯電化學能器件的優點。

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。石墨炔烴由于其特殊的電子結構SP和SP2以及固有的帶隙，表現出碳材料難以出現的特性，近年來石墨炔烴在鋰離子電池、催化劑、太陽能電池、電化學驅動器等方面進行了一系列前沿研究。并取得了顯著的研究成果。

為此，中國科學院化學研究所李玉良院士對石墨炔烴的內在性質進行了深入的分析。結合電化學能轉換中電化學界面的關鍵問題，提出了一種新的石墨-炔烴基電化學界面，為解決電化學能轉換裝置中的許多關鍵科學問題提供了新的認識和理解，指出了石墨的研究領域。有挑戰和機遇。

碳材料是電化學能量轉換器的重要組成部分。與傳統的碳材料相比，石墨烯在合成和結構上顯示出許多優勢（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，改變了傳統的碳材料合成方法，石墨-乙炔具有平面內孔結構，可以通過前驅體的設計精確控制，獲得優良的選擇性滲透性。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。機械模量和強度可根據不同的應用需要進行調整，石墨炔烴由于在尺寸平面上具有很高的共軛性，具有良好的電荷轉移和載流子遷移率。SP和SP2的混合二維網狀碳結構使石墨炔烴具有獨特的化學活性和物理穩定性（圖2）。

石墨烯的特性表明，它是一種獨特的電化學能量轉換材料，是解決電化學器件中電極界面問題的關鍵材料，可能影響能量場的發展。

電化學界面行為的研究是電化學能量轉換裝置研究的重要組成部分，包括界面結構、界面反應、反應熱力學和動力學。

在鋰離子電池的正極和負極材料中，不穩定的電化學界面是導致高電荷轉移電阻、材料結構衰減和電池膨脹的主要因素之一，在高能量密度的正負電極（Si、Ge和高鎳電極）中，不穩定的電極界面會導致電池的電性能下降。礦石性能和安全問題嚴重，堿金屬電池中，界面不穩定會產生堿金屬樹枝晶，這是電池效率低、循環不良、安全性低的重要原因，通過構建穩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，催化劑界面的性質決定了催化反應動力學、反應過程、物料輸送和反應選擇性，碳材料的表面性質影響活性物質的輸送和與催化劑的界面接觸，從而影響系統的反應阻抗和極化。如何提高和穩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。

在超級電容器的研究中，很多工作只關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濕性。

新材料的出現和新電極界面的構建，為解決上述電化學能量轉換器的關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建這種特殊電極界面的巨大潛力（圖3）。

近年來，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出前所未有的能量轉換效率。

在理論計算中，石墨烯獨特的三角形空穴及其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構首先實現了零價鐵鎳原子的錨定，得到了大面積的零價金屬原子催化劑（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于報道的常規催化劑。為新型石墨烯基單體催化劑在其它領域的應用提供了一定的實驗和理論依據。

在高性能催化劑的設計和制備中，需要明確與催化劑性能和重復可控制備有關的催化劑界面缺陷的類型，石墨烯的結構特點使控制化學活性缺陷位置的結構成為可能。

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出傳統碳材料所不具備的新特性。通過對石墨烯-sp-碳原子的氮摻雜，可以實現一種新型的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勢，在酸性條件下，該催化劑的性能優于大多數非金屬催化劑，充分顯示了新型SP氮原子摻雜在電催化應用中的前景。同時，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。實驗進一步證明，吡啶氮摻雜石墨汀對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、生長溫和的特點，可以與傳統半導體材料很好地結合，實現新型異質結界面的構建。

例如，在硫化鉬與石墨烯非均相界面的設計與施工中，兩種半導體的結合實現了金屬態的轉變，從而大大優化了電催化析氫過程中復合材料的自由能，提高了其催化活性。設計和制備的催化劑在酸性和堿性條件下均表現出良好的催化活性和穩定性，新型異質結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，抑制了載體復合，有效地提高了轉化率。離子效率。高效光催化劑可以與CdSe量子點和G-c3n4結合成功地合成，用于制氫（圖6）。

在能量轉換方面，電能直接轉化為機械能也是學者們研究的熱點。它在人工智能領域具有重要意義。石墨烯-乙炔二維碳結構為電能轉化為機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化為機械能的過程中乙炔鍵的變化，發現乙炔轉化為機械能的新機理有助于實現高效率和高能量密度（圖7），電化學的能量轉化效率石墨烯乙炔作動器高達6.03%，優于壓電材料、記憶合金等傳統材料，能量密度為11.5kJ m 3，相當于哺乳動物肌肉組織的能量密度，同時具有良好的循環壽命。

在儲能方面，石墨烯可以在硅和氧化物陽極上原位生長（圖8），形成全碳導電網絡結構，有利于電子和離子的快速傳輸和高性能陽極的制備。同時，全碳骨架結構在穩定和保護電化學電極界面、提高電解質穩定性等方面發揮了重要作用，石墨炔烴具有選擇性離子滲透性、良好的二維力學性能和電化學穩定性，具有良好的電化學穩定性。對研究石墨烯作用下界面金屬的沉積過程、界面反應和界面穩定性具有重要的科學和學術意義。

對于鋰硫電池來說，原子級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的一種很好的方法。同時，在具有富電子特性的石墨烯骨架上，電極界面的反應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壽命。

石墨炔烴在高能量密度鋰離子電池的應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，以穩定電極的界面結構和主要結構，提高其安全性能。原位生長法制備的石墨烯無縫導電網絡，真正解決了有機小分子陰極材料的溶解性和導電性差的問題，有機小分子陰極材料資源豐富，易于裁剪，容量大。

石墨烯的發現為貴金屬與石墨烯之間建立新的電化學界面，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。這可能是促進燃料電池發展的有效途徑，也為研究石墨烯多孔結構的限制效應、復合界面的協同效應、中間過程和反應機理以及催化劑的抗中毒機理帶來了新的概念。

（1）生長方法：大面積制備高結晶度單層和少數層石墨烯薄膜，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。

（2）表征：獲得大面積、高趨勢的石墨烯原子相結構，深入了解光學、聲學、磁學等的內在性質，發展無損石墨薄膜轉移方法和制備高質量器件是人們關注的焦點。

（4）界面分析：先進的實驗方法表征了界面結構和界面協同作用，在高結晶電極表面原位生長少量或單晶態石墨烯并研究其原位效應是一種有效的方法。

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