“梦幻材料”石墨炔在电化学领域有什么新应用？

2023-02-12 09:06:32 来源：科普中国

出品：科普中国作者：奥托星光监制：中国科普博览

能源与环境问题是目前人类面临的两大难题，也是需要迫切解决的重大问题。中国适时提出的“双碳”目标是实现可持续发展的重要战略手段，受到全世界各国政府的广泛认可和关注。

为了实现“双碳”的远大目标，我们需要利用更加清洁的能源。而怎样利用好新能源呢？这个时候需要借助两个关键策略：电化学能量储存和转换。而一种新型全碳材料石墨炔（Graphdiyne，简称GDY）的应用，为传统的方案提供了新的视角和启发。

(资料图片仅供参考)

最近中国科学院化学所的研究人员也发表了一篇有关石墨炔应用于电化学能量储存和转换的综述文章。这一篇文章向我们介绍了二维石墨炔碳材料在电化学电极界面应用中所具有的独特优势与研究进展，此外，还向我们展示了石墨炔的具体应用场景。

不过，在了解石墨炔具体是怎么利用的之前，我们先来说说石墨炔是什么。

石墨炔是碳元素形成的一种新型同素异形体，是继富勒烯、碳纳米管、石墨烯之后的一种二维多孔薄膜材料。在石墨炔中，碳原子之间通过sp和sp2杂化的丰富成键方式，包含芳香键、单键和三键三种碳键，形成了π电子共轭框架和孔隙，可以选择性传输离子；不同的键长使得其具有更高的结构灵活性，也使得电化学界面的环境调控变得容易。

石墨炔作为新型的电化学界面材料，从结构到物化学性能都呈现出显著的优越性和兼容性。

图1. 石墨炔在能量储存和能量转换领域中的应用场景（图片来源：参考文献[1]）

石墨炔在电化学储能领域的应用

电化学储能在推动未来的能源革命发挥着重要作用。代表性的锂离子电池在我们的日常生活中也随处可见，比如手机、笔记本电脑、电动汽车等。不仅应用广泛，锂离子电池也使得我们的日常生活更为经济，高效和环保。

然而锂电池的实际应用过程中，有一个问题制约了锂电池性能。那就是界面问题。现在界面问题也已成为下一代电极材料的普遍障碍。然而，研究人员发现，通过对石墨炔的改性，应用于电池界面可以有效地抑制了锂枝晶，可以提高锂金属负极的寿命和安全性。

改性后的石墨炔究竟是有什么魔力，可以改善电池的界面问题呢？实验表明石墨炔具有高度的亲锂性，可以通过脱溶剂过程提升了锂的动力学性能，因为石墨炔的孔洞可以无障碍地透过锂离子，却能将溶剂分子阻隔在外。

除锂之外，石墨炔薄膜对质子也具有高电导率和高选择性，加之近乎完美的机械性能和化学稳定性，这也展现了石墨炔在燃料电池领域的良好应用前景。

图2. 锂离子穿过石墨炔孔洞的脱溶剂过程示意图（图片来源：参考文献[1]）

研究人员也将石墨炔的生长与电极制备结合起来，首先在铜箔上生长或涂覆活性的材料，然后在这些活性材料上原位生长石墨炔并形成三维连接网络，从而为离子和电子的传导提供稳定通道，并对电极提供了强大的立体保护。

图3. 石墨炔形成的保护界面示意图（图片来源：参考文献[1]）

石墨炔在电化学能量转换领域的应用

除了电化学储能，能量转换也是能源高效利用和减少污染物排放的必要手段。在能量转换方面，石墨炔也发挥着它的作用。

石墨炔在电化学能量转换领域的应用场景十分广泛，包括氧还原反应（ORR）、析氧反应（OER）、析氢反应（HER）、氮气还原反应（NRR）和二氧化碳还原反应（CO2RR）。

相比于sp2杂化的碳原子形成的石墨烯，通过sp和sp2杂化的碳原子形成石墨炔的π共轭网络中的电子是不均匀的，具有产生新活性位点的可能性。以下我们从ORR和NRR两个反应实例来介绍石墨炔发挥的具体作用。

首先是ORR催化反应，它是下一代高能量密度电化学能源技术的基本反应。

氧气（O2）是我们赖以生存的空气组分，而氧气本身也是各种燃料发生燃烧反应的氧化剂，在质子交换膜燃料电池中，氧气也是关键的部分。如果有一种材料，可以促进氧气的吸附，那么将会有利于ORR催化反应的过程。

而在这个催化反应的过程中，修饰后的石墨炔的加入可以提高催化剂的活性。根本原因是由于二维石墨炔中原有的氮原子掺杂，可以促进活性位点上的氧气吸附和后续的电子转移。此外，基于石墨炔的负载单原子催化剂在ORR的反应过程中也被认为是有效的。

图4. 氮原子掺杂石墨炔的氧还原反应（ORR）示意图（图片来源：参考文献[1]）

在NRR反应中，石墨炔也有它的作用。

氨（NH3）在农业和能源中占据着着重要地位，氨可作为重要的氮肥和燃料电池的燃料。另一方面合成氨又是庞大的耗能产业，因此开发新型的氨合成方法在能源节约和环境保护方面能够展现巨大的应用前景。

在NRR反应中，研究人员发现石墨炔可以间接固定氨气，进而有助于后续的NRR反应。具体的过程是这样的：研究人员发现原子分散的零价钼（Mo）原子可以稳定地锚定在石墨炔上，这归因于过渡金属原子和碳碳三键之间的配位作用。通过理论计算表明，钼原子上的局部电荷会重新分配并成为富电子中心，同时Mo原子成为氮气的吸附位点并发生后续的NRR反应。

图5. 锚定了钼原子的石墨炔发生的氮还原反应（NRR）示意图（图片来源：参考文献[1]）

总结

在电化学储能与转换领域，石墨炔作为一种前途光明的新兴材料，目前已经取得了性能上一些突破，但仍处于初级研究阶段。

不过，科学家们正对已有的应用领域进行更加深入、系统的研究，进一步拓展石墨炔的实际应用场景。例如，作为具有天然能量带隙的新型全碳半导体，在电子器件中的应用，如场效应晶体管、人工智能器件、可穿戴器件和光电器件等等。

我们也期待在不远的未来，石墨炔能够在不同的应用领域带给我们带来意想不到的惊喜。

编辑：郭雅欣

参考文献：[1] X. Gao, J. Li, Z. Zuo, Advanced electrochemical energy storage and conversion on graphdiyne interface.Nano Research Energy. https://doi.org/10.26599/NRE.2022.9120036.

关键词：参考文献研究人员能量转换