“夢幻材料”石墨炔在電化學(xué)領(lǐng)域有什么新應(yīng)用？

出品：科普中國
作者：奧托星光
監(jiān)制：中國科普博覽

能源與環(huán)境問題是目前人類面臨的兩大難題，也是需要迫切解決的重大問題。中國適時(shí)提出的“雙碳”目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的重要戰(zhàn)略手段，受到全世界各國政府的廣泛認(rèn)可和關(guān)注。

為了實(shí)現(xiàn)“雙碳”的遠(yuǎn)大目標(biāo)，我們需要利用更加清潔的能源。而怎樣利用好新能源呢？這個(gè)時(shí)候需要借助兩個(gè)關(guān)鍵策略：電化學(xué)能量儲(chǔ)存和轉(zhuǎn)換。而一種新型全碳材料石墨炔（Graphdiyne，簡稱GDY）的應(yīng)用，為傳統(tǒng)的方案提供了新的視角和啟發(fā)。

最近中國科學(xué)院化學(xué)所的研究人員也發(fā)表了一篇有關(guān)石墨炔應(yīng)用于電化學(xué)能量儲(chǔ)存和轉(zhuǎn)換的綜述文章。這一篇文章向我們介紹了二維石墨炔碳材料在電化學(xué)電極界面應(yīng)用中所具有的獨(dú)特優(yōu)勢與研究進(jìn)展，此外，還向我們展示了石墨炔的具體應(yīng)用場景。

不過，在了解石墨炔具體是怎么利用的之前，我們先來說說石墨炔是什么。

石墨炔是碳元素形成的一種新型同素異形體，是繼富勒烯、碳納米管、石墨烯之后的一種二維多孔薄膜材料。在石墨炔中，碳原子之間通過sp和sp2雜化的豐富成鍵方式，包含芳香鍵、單鍵和三鍵三種碳鍵，形成了π電子共軛框架和孔隙，可以選擇性傳輸離子；不同的鍵長使得其具有更高的結(jié)構(gòu)靈活性，也使得電化學(xué)界面的環(huán)境調(diào)控變得容易。

石墨炔作為新型的電化學(xué)界面材料，從結(jié)構(gòu)到物化學(xué)性能都呈現(xiàn)出顯著的優(yōu)越性和兼容性。

圖1. 石墨炔在能量儲(chǔ)存和能量轉(zhuǎn)換領(lǐng)域中的應(yīng)用場景
（圖片來源：參考文獻(xiàn)[1]）

石墨炔在電化學(xué)儲(chǔ)能領(lǐng)域的應(yīng)用

電化學(xué)儲(chǔ)能在推動(dòng)未來的能源革命發(fā)揮著重要作用。代表性的鋰離子電池在我們的日常生活中也隨處可見，比如手機(jī)、筆記本電腦、電動(dòng)汽車等。不僅應(yīng)用廣泛，鋰離子電池也使得我們的日常生活更為經(jīng)濟(jì)，高效和環(huán)保。

然而鋰電池的實(shí)際應(yīng)用過程中，有一個(gè)問題制約了鋰電池性能。那就是界面問題?，F(xiàn)在界面問題也已成為下一代電極材料的普遍障礙。然而，研究人員發(fā)現(xiàn)，通過對(duì)石墨炔的改性，應(yīng)用于電池界面可以有效地抑制了鋰枝晶，可以提高鋰金屬負(fù)極的壽命和安全性。

改性后的石墨炔究竟是有什么魔力，可以改善電池的界面問題呢？實(shí)驗(yàn)表明石墨炔具有高度的親鋰性，可以通過脫溶劑過程提升了鋰的動(dòng)力學(xué)性能，因?yàn)槭驳目锥纯梢詿o障礙地透過鋰離子，卻能將溶劑分子阻隔在外。

除鋰之外，石墨炔薄膜對(duì)質(zhì)子也具有高電導(dǎo)率和高選擇性，加之近乎完美的機(jī)械性能和化學(xué)穩(wěn)定性，這也展現(xiàn)了石墨炔在燃料電池領(lǐng)域的良好應(yīng)用前景。

圖2. 鋰離子穿過石墨炔孔洞的脫溶劑過程示意圖
（圖片來源：參考文獻(xiàn)[1]）

研究人員也將石墨炔的生長與電極制備結(jié)合起來，首先在銅箔上生長或涂覆活性的材料，然后在這些活性材料上原位生長石墨炔并形成三維連接網(wǎng)絡(luò)，從而為離子和電子的傳導(dǎo)提供穩(wěn)定通道，并對(duì)電極提供了強(qiáng)大的立體保護(hù)。

圖3. 石墨炔形成的保護(hù)界面示意圖
（圖片來源：參考文獻(xiàn)[1]）

石墨炔在電化學(xué)能量轉(zhuǎn)換領(lǐng)域的應(yīng)用

除了電化學(xué)儲(chǔ)能，能量轉(zhuǎn)換也是能源高效利用和減少污染物排放的必要手段。在能量轉(zhuǎn)換方面，石墨炔也發(fā)揮著它的作用。

石墨炔在電化學(xué)能量轉(zhuǎn)換領(lǐng)域的應(yīng)用場景十分廣泛，包括氧還原反應(yīng)（ORR）、析氧反應(yīng)（OER）、析氫反應(yīng)（HER）、氮?dú)膺€原反應(yīng)（NRR）和二氧化碳還原反應(yīng)（CO2RR）。

相比于sp2雜化的碳原子形成的石墨烯，通過sp和sp2雜化的碳原子形成石墨炔的π共軛網(wǎng)絡(luò)中的電子是不均勻的，具有產(chǎn)生新活性位點(diǎn)的可能性。以下我們從ORR和NRR兩個(gè)反應(yīng)實(shí)例來介紹石墨炔發(fā)揮的具體作用。

首先是ORR催化反應(yīng)，它是下一代高能量密度電化學(xué)能源技術(shù)的基本反應(yīng)。

氧氣（O2）是我們賴以生存的空氣組分，而氧氣本身也是各種燃料發(fā)生燃燒反應(yīng)的氧化劑，在質(zhì)子交換膜燃料電池中，氧氣也是關(guān)鍵的部分。如果有一種材料，可以促進(jìn)氧氣的吸附，那么將會(huì)有利于ORR催化反應(yīng)的過程。

而在這個(gè)催化反應(yīng)的過程中，修飾后的石墨炔的加入可以提高催化劑的活性。根本原因是由于二維石墨炔中原有的氮原子摻雜，可以促進(jìn)活性位點(diǎn)上的氧氣吸附和后續(xù)的電子轉(zhuǎn)移。此外，基于石墨炔的負(fù)載單原子催化劑在ORR的反應(yīng)過程中也被認(rèn)為是有效的。

圖4. 氮原子摻雜石墨炔的氧還原反應(yīng)（ORR）示意圖
（圖片來源：參考文獻(xiàn)[1]）

在NRR反應(yīng)中，石墨炔也有它的作用。

氨（NH3）在農(nóng)業(yè)和能源中占據(jù)著著重要地位，氨可作為重要的氮肥和燃料電池的燃料。另一方面合成氨又是龐大的耗能產(chǎn)業(yè)，因此開發(fā)新型的氨合成方法在能源節(jié)約和環(huán)境保護(hù)方面能夠展現(xiàn)巨大的應(yīng)用前景。

在NRR反應(yīng)中，研究人員發(fā)現(xiàn)石墨炔可以間接固定氨氣，進(jìn)而有助于后續(xù)的NRR反應(yīng)。具體的過程是這樣的：研究人員發(fā)現(xiàn)原子分散的零價(jià)鉬（Mo）原子可以穩(wěn)定地錨定在石墨炔上，這歸因于過渡金屬原子和碳碳三鍵之間的配位作用。通過理論計(jì)算表明，鉬原子上的局部電荷會(huì)重新分配并成為富電子中心，同時(shí)Mo原子成為氮?dú)獾奈轿稽c(diǎn)并發(fā)生后續(xù)的NRR反應(yīng)。

圖5. 錨定了鉬原子的石墨炔發(fā)生的氮還原反應(yīng)（NRR）示意圖
（圖片來源：參考文獻(xiàn)[1]）

總結(jié)

在電化學(xué)儲(chǔ)能與轉(zhuǎn)換領(lǐng)域，石墨炔作為一種前途光明的新興材料，目前已經(jīng)取得了性能上一些突破，但仍處于初級(jí)研究階段。

不過，科學(xué)家們正對(duì)已有的應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)行更加深入、系統(tǒng)的研究，進(jìn)一步拓展石墨炔的實(shí)際應(yīng)用場景。例如，作為具有天然能量帶隙的新型全碳半導(dǎo)體，在電子器件中的應(yīng)用，如場效應(yīng)晶體管、人工智能器件、可穿戴器件和光電器件等等。

我們也期待在不遠(yuǎn)的未來，石墨炔能夠在不同的應(yīng)用領(lǐng)域帶給我們帶來意想不到的驚喜。

編輯：郭雅欣

參考文獻(xiàn)：
[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.