李玉良院士：石墨炔烃的未来！

李玉良院士：石墨炔烃的未来！

李玉良，中国科学院化学研究所研究员，中国科学院大学教授、博士生导师，中国科学院院士。

1。综述了石墨烯在电子结构、力学性能、孔结构、化学活性和稳定性等方面的特点。阐述了石墨烯作为一种化学能材料的自然潜力和优势。

2。结合电化学能器件面临的挑战和关键科学问题，阐述了石墨烯电化学能器件的优点。

石墨炔烃是一种新型的二维碳材料。石墨炔烃是李玉良院士于2010年首次制备的碳同素异形体，在国内外引起广泛关注，是一种极具发展潜力的新型碳同素异形体。石墨炔烃由于其特殊的电子结构SP和SP2以及固有的带隙，表现出碳材料难以出现的特性，近年来石墨炔烃在锂离子电池、催化剂、太阳能电池、电化学驱动器等方面进行了一系列前沿研究。并取得了显著的研究成果。

为此，中国科学院化学研究所李玉良院士对石墨炔烃的内在性质进行了深入的分析。结合电化学能转换中电化学界面的关键问题，提出了一种新的石墨-炔烃基电化学界面，为解决电化学能转换装置中的许多关键科学问题提供了新的认识和理解，指出了石墨的研究领域。有挑战和机遇。

碳材料是电化学能量转换器的重要组成部分。与传统的碳材料相比，石墨烯在合成和结构上显示出许多优势（图1）。

它的制备条件温和友好（通常低于100摄氏度）。它可以在液相体系中的各种基体上原位制备，改变了传统的碳材料合成方法，石墨-乙炔具有平面内孔结构，可以通过前驱体的设计精确控制，获得优良的选择性渗透性。利用具有特定功能的杂原子和官能团对石墨-乙炔进行改性，调整其能带结构、化学和物理性质。机械模量和强度可根据不同的应用需要进行调整，石墨炔烃由于在尺寸平面上具有很高的共轭性，具有良好的电荷转移和载流子迁移率。SP和SP2的混合二维网状碳结构使石墨炔烃具有独特的化学活性和物理稳定性（图2）。

石墨烯的特性表明，它是一种独特的电化学能量转换材料，是解决电化学器件中电极界面问题的关键材料，可能影响能量场的发展。

电化学界面行为的研究是电化学能量转换装置研究的重要组成部分，包括界面结构、界面反应、反应热力学和动力学。

在锂离子电池的正极和负极材料中，不稳定的电化学界面是导致高电荷转移电阻、材料结构衰减和电池膨胀的主要因素之一，在高能量密度的正负电极（Si、Ge和高镍电极）中，不稳定的电极界面会导致电池的电性能下降。矿石性能和安全问题严重，碱金属电池中，界面不稳定会产生碱金属树枝晶，这是电池效率低、循环不良、安全性低的重要原因，通过构建稳定的人工电液界面可以有效地解决碱金属枝晶问题。离子可以选择性穿透的电码。

在燃料电池中，催化剂界面的性质决定了催化反应动力学、反应过程、物料输送和反应选择性，碳材料的表面性质影响活性物质的输送和与催化剂的界面接触，从而影响系统的反应阻抗和极化。如何提高和稳定催化剂的界面活性以及与碳载体的界面接触是燃料电池的研究热点。

在超级电容器的研究中，很多工作只关注如何提高电极材料的比表面积，而忽略了如何提高电极表面的润湿性。

新材料的出现和新电极界面的构建，为解决上述电化学能量转换器的关键问题提供了可行的思路，石墨烯的大量研究工作显示了构建这种特殊电极界面的巨大潜力（图3）。

近年来，石墨烯独特的结构在高效电化学能量转换器的应用中显示出前所未有的能量转换效率。

在理论计算中，石墨烯独特的三角形空穴及其富炔碳骨架具有良好的捕获和稳定金属单原子的功能。在二维石墨烯上均匀地锚定具有催化活性的金属单原子，可以有效地增加催化剂的活性面积，减少金属负载。

在单原子铁镍催化剂的制备过程中，石墨烯的富电子性和平面上的三角形孔结构首先实现了零价铁镍原子的锚定，得到了大面积的零价金属原子催化剂（图4），该系列单原子催化剂在制备过程中具有显著的作用。电催化析氢。这些催化剂的电催化活性和使用寿命明显优于报道的常规催化剂。为新型石墨烯基单体催化剂在其它领域的应用提供了一定的实验和理论依据。

在高性能催化剂的设计和制备中，需要明确与催化剂性能和重复可控制备有关的催化剂界面缺陷的类型，石墨烯的结构特点使控制化学活性缺陷位置的结构成为可能。

由于石墨烯是合成SP碳原子的第一种碳材料，因此石墨烯的杂原子掺杂呈现出传统碳材料所不具备的新特性。通过对石墨烯-sp-碳原子的氮掺杂，可以实现一种新型的sp-氮原子掺杂碳材料。这种新型氮掺杂在改善石墨烯电催化氧还原过程和碱性方面具有突出的优势，在酸性条件下，该催化剂的性能优于大多数非金属催化剂，充分显示了新型SP氮原子掺杂在电催化应用中的前景。同时，通过选择性取代石墨烯上的sp2碳原子，可以获得大量的吡啶氮掺杂石墨烯。实验进一步证明，吡啶氮掺杂石墨汀对非金属碳材料的催化氧还原具有良好的催化性能。

石墨炔烃具有低温、生长温和的特点，可以与传统半导体材料很好地结合，实现新型异质结界面的构建。

例如，在硫化钼与石墨烯非均相界面的设计与施工中，两种半导体的结合实现了金属态的转变，从而大大优化了电催化析氢过程中复合材料的自由能，提高了其催化活性。设计和制备的催化剂在酸性和碱性条件下均表现出良好的催化活性和稳定性，新型异质结表面可用于制备高性能的析氢光催化剂，石墨炔烃具有良好的空穴传输能力，抑制了载体复合，有效地提高了转化率。离子效率。高效光催化剂可以与CdSe量子点和G-c3n4结合成功地合成，用于制氢（图6）。

在能量转换方面，电能直接转化为机械能也是学者们研究的热点。它在人工智能领域具有重要意义。石墨烯-乙炔二维碳结构为电能转化为机械能提供了一种新的研究思路。

近年来，通过研究石墨炔烃在能量转化为机械能的过程中乙炔键的变化，发现乙炔转化为机械能的新机理有助于实现高效率和高能量密度（图7），电化学的能量转化效率石墨烯乙炔作动器高达6.03%，优于压电材料、记忆合金等传统材料，能量密度为11.5kJ m 3，相当于哺乳动物肌肉组织的能量密度，同时具有良好的循环寿命。

在储能方面，石墨烯可以在硅和氧化物阳极上原位生长（图8），形成全碳导电网络结构，有利于电子和离子的快速传输和高性能阳极的制备。同时，全碳骨架结构在稳定和保护电化学电极界面、提高电解质稳定性等方面发挥了重要作用，石墨炔烃具有选择性离子渗透性、良好的二维力学性能和电化学稳定性，具有良好的电化学稳定性。对研究石墨烯作用下界面金属的沉积过程、界面反应和界面稳定性具有重要的科学和学术意义。

对于锂硫电池来说，原子级孔具有很好的锂离子选择透过率，是解决多硫化物穿梭效应的一种很好的方法。同时，在具有富电子特性的石墨烯骨架上，电极界面的反应过程可能发生显著的变化，石墨烯的高化学活性使其有可能获得具有高离子输运和选择性的二维固态电解质膜结构，这是提高其性能的关键。高能量密度金属电池的安全性和寿命。

石墨炔烃在高能量密度锂离子电池的应用中具有很大的潜力，例如石墨烯可以无缝地涂在高镍阴极表面，以稳定电极的界面结构和主要结构，提高其安全性能。原位生长法制备的石墨烯无缝导电网络，真正解决了有机小分子阴极材料的溶解性和导电性差的问题，有机小分子阴极材料资源丰富，易于裁剪，容量大。

石墨烯的发现为贵金属与石墨烯之间建立新的电化学界面，实现高效、高选择性、高稳定性的贵金属催化剂提供了新的空间。这可能是促进燃料电池发展的有效途径，也为研究石墨烯多孔结构的限制效应、复合界面的协同效应、中间过程和反应机理以及催化剂的抗中毒机理带来了新的概念。

（1）生长方法：大面积制备高结晶度单层和少数层石墨烯薄膜，研究了石墨烯的生长动力学，揭示了影响石墨烯从非晶态转变为晶态的主要因素。

（2）表征：获得大面积、高趋势的石墨烯原子相结构，深入了解光学、声学、磁学等的内在性质，发展无损石墨薄膜转移方法和制备高质量器件是人们关注的焦点。

（4）界面分析：先进的实验方法表征了界面结构和界面协同作用，在高结晶电极表面原位生长少量或单晶态石墨烯并研究其原位效应是一种有效的方法。

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