三院士联合打造重磅综述,媲美石墨烯的国产顶级新材料你不认识一下?
薛玉瑞 2020-09-16

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第一作者:薛玉瑞

通讯作者:李玉良

通讯单位:中科院化学所

 

核心内容:

1. 2010年,中国科学院化学所石墨炔研究团队首次化学合成了具有中国自主知识产权的新型碳同素异形体—石墨炔,开辟了人工化学合成碳同素异形体的先例,开拓了碳科学研究的新领域。

2. 石墨炔具有丰富的碳化学键,大共轭体系、宽面间距、天然带隙、天然孔洞以及优异的化学和热稳定性!

3. 石墨炔独特的纳米级孔隙、二维层状共轭骨架结构及半导体性质等特性!

 

石墨炔(graphdiyne,GDY,汉语命名为石墨炔)是一种由spsp2碳共杂化形成的全新的二维平面网络结构全碳分子,具有丰富的碳化学键,大的共轭体系、宽面间距、天然孔洞、天然带隙、优异的化学和热稳定性及催化等性能,是材料科学领域迅速崛起的新星!

 

作为具有中国自主知识产权的新材料,石墨炔因其独特的化学结构、电子结构及奇特的化学和物理性质而迅速成为化学、物理和材料科学领域研究的焦点,受到科学家的极大关注。

 

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图1. 碳材料中碳杂化态相图

顶点表示单一杂化态,图边表示两种不同的杂化态,三角内表示三种杂化态共存。

 

sp炔键和sp2苯环的存在为调控石墨炔电子结构性质提供了最佳的契机,使得石墨炔不仅能够替代贵金属在电催化、光催化等方面的应用,同时能够作为太阳能电池空穴传输层和电子传输层,还可以用作锂离子相关的高性能储能器件,在能源、催化、光学、电学、光电子器件等诸多领域展现出巨大的应用潜力,在国际上产生了重要影响,正在全球范围内形成新的研究方向。

 

有鉴于此,中国科学院化学研究所李玉良院士、薛玉瑞博士,北京大学刘忠范院士、张锦教授,国家纳米科学中心赵宇亮院士等多位重量级科学家,从石墨炔的电子、化学结构出发,系统综述了石墨炔在能源存储和转换领域的最新理论研究和实验研究进展,以及石墨炔基新型能源存储和转换材料的重要研究成果,并深入探讨了石墨炔材料未来发展的机遇和挑战!

 

这份综述最近发表于我国重要期刊《中国科学化学》(Science China Chemistry)。

 

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图2. 二维石墨炔的构效

 

作为一特殊结构材料,石墨炔已经在能量存储和转化领域(电化学催化,光催化,光伏,锂电池和太阳能电池等)中表现出优良的性能,显示出巨大的应用潜力,在可在再生能源、清洁能源材料及催化等领域引发新概念、新性质和新效应,实现了在能量转换、能源与催化领域的变革性突破。

 

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图3. 石墨炔结构的可控制备

包括大面积结构有序的石墨炔薄膜、少层石墨炔及单晶石墨炔。

 

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图4. 石墨炔的图案化

 

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图5. 氮掺杂石墨炔氧还原电催化剂

表现出优越的氧还原电催化性能,其电催化活性可与用于碱性燃料电池氧还原的商业铂碳催化剂相比

 

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图6. 超高稳定性石墨炔基析氢电催化剂。

 

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图7. 石墨炔在光电产氢中的应用 

 

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图8. 石墨炔在锂离子电池中的应用

石墨炔展现了较高的容量,良好的循环稳定性以及较高的库仑效率。


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图9. 石墨炔在钠离子电池中的应用。

表现出非常好的电化学性能,包括优异的倍率性能,长循环寿命和比容量。


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图10. 石墨炔在太阳能电池中的应用。

在染料敏化太阳能电池中,石墨炔片/铂纳米颗粒复合物显现出了优于还原氧化石墨烯/铂纳米颗粒复合物、铂纳米颗粒和铂箔的催化活性。

 

参考文献:

XueYurui, Li Yuliang 1,* Zhang Jin, Liu Zhongfan, Zhao Yuliang et al. 2Dgraphdiyne materials: challenges and opportunities in energy field. Sci. China Chem., 2018, 61.

https://doi.org/10.1007/s11426-018-9270-y

 

李玉良院士(通讯作者)

中国科学院化学研究所研究员、博士生导师、中国科学院院士。曾在荷兰阿姆斯特丹大学化学系、美国Nortre Dame大学、美国佐治亚理工学院和香港大学化学系从事研究及合作研究。2002年、2005年和2014年三次获得国家自然科学二等奖,两次获北京市科学技术奖(自然科学)一等奖和中国科学院自然科学二等奖一次,获2017年度何梁何利奖,是首届全国创新争先奖奖状获得者。研究领域为碳基和富碳分子基材料定向、多维、大尺寸聚集态结构和异质结构自组织生长、自组装方法学以及在能源、催化和光电等领域的应用。

 

薛玉瑞博士(第一作者)

2003年7月在吉林大学获得学士学位,2014年7月在吉林大学获得博士学位,博士毕业后在中国科学院化学研究所李玉良院士课题组进行博士后研究工作,主要开展石墨炔基电催化材料研究。

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