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石墨炔——新型电催化剂新型载体用于能源转换
发布时间：2020-09-03     作者：harry   分享到：
众所周知，自工业革命以来，为促进经济发展而大力开发化石燃料，导致常规化石燃料被大量消耗，引发能源危机。此外，大量燃烧化石燃料还带来了严重的温室效应和颗粒污染等环境问题。因此，迫切需要开发经济、高性能和环境友好的技术来进行能源转换，以解决面临的问题。其中，电催化在能量转换方面具有巨大的潜力，但对电催化剂性能要求甚高。故而开发出丰富的、高性能和高度稳定的电催化剂成为一项基本挑战。近年来，开发的基于贵金属、层状的双氢氧化物等电催化剂存在电导率差、活性位低、电荷转移缓慢等问题。目前，石墨烯、碳纳米纤维等碳（C）材料已被广泛用作各种电催化剂的载体，以增强其催化性能，并且已获得显着改进。其中，由于石墨炔（GDY）中共存sp-和sp2-杂化碳原子，使其具有高度的π共轭，规则的有序孔结构和可调电子结构，使得GDY具有天然的带隙和高速的载流子迁移率。在环境温度下，GDY中的电子和空穴迁移率可以达到105 cm2 V-1 s-1。此外，通过调控不同数量的炔键和各种堆叠方式可以改变GDY的机械性能。


重大成就筒介  
近日，湖南大学环境科学与工程学院的李必胜博士（作者）、曾光明教授和赖萃副教授（共同通讯作者）等人对GDY负载的电催化剂进行了综述，并从分子结构、电子性能、机械性能和稳定性的角度分析了GDY可以用作新型载体的原因。接着，总结了GDY负载的电催化剂在能量转化中的各种电化学应用，包括析氢反应（HER）、析氧反应（OER）、氧还原反应（ORR）、水分解（OWS）和氮气还原反应（NRR）。还概述了GDY和基于GDY的材料在未来研究中面临的挑战。本文通过对GDY的深入分析，以促进这种新型碳材料的开发和应用。研究成果以题为“Graphdiyne: A Rising Star of Electrocatalyst Support for Energy Conversion”发布在国际**期刊Adv. Energy Mater.上。

图文快印评析  


图一、分子结构

（a）根据平滑乙炔使石墨稀与GY-连结的芳族基团的表示图；
（b-e）具有着不同的炔键个数的GYs；
（f-g）从俯看图看，三层GDY系统化的调优手机配置对应为AB(β1)和AB(β2)；
（h-j）从俯览图看，二三层GDY软件系统的六个将分配：ABA(γ1)、ABC(γ2)和ABC(γ3)分配。


图二、GDY作为金属氧化物的载体

（a-d）NiO-GDY NC的TEM和HRTEM数字图像；
（e）NiO-GDY NC納米立米体中Ni、O和C的EDX映照；
（f）特别NiO-GDY NC和原有NiO NC的100辩认率Ni 2p XPS光谱分析；
（g）NiOGDY NC的自由电荷体积密度选取图。


图三、GDY作为过渡金属硫属元素化物的载体

（a-b）eGDY/MoS2、MoS2和eGDY的状态密度（DOS），其中费米能级为0 eV；
（c-d）eGDY/MoS2的电荷密度差异图：俯视图和侧视图；
（e）eGDY/MoS2、eGDY和MoS2上的氢吸附自由能（ΔGH）；
（f）催化剂在0.5 M H2SO4中的奈奎斯特图；
（g）在0.70 V与RHE的电容电流中，分别作eGDY/MoS2、CC/MoS2、GDY和CC的扫描速率图；
（h）崔化剂的瞬时光电技术流异常；
（i）在3000次电势循环前后，获得的eGDY/MoS2极化曲线；
（j）在工作条件下，使用eGDY/MoS2作为阴极的电解槽。


图四、氢取代GDY（HsGDY）为中间层的新型三层夹心纳米结构

（a）制作多层奈米管阵列的关心图；
（b）更具iR赔偿标准的HER极化拟合曲线；
（c）塔菲尔图；
（d）从EIS得到的奈奎斯特图，其等效电路为Rs、Rct；
（e）在0.5 M H2SO4中，NiCoS-HsGDY-Ni、Co-MoS2、NiCoMoS、NiCoS-HsGDY、NiCoS、HsGDY、Pt薄片和碳纸的电流密度随时间变化的曲线，没有iR补偿。


图五、电催化剂的理论计算和结构分析

（a-c）GDY、ICLDH和ICLDH-GDY的保持稳定硬件配置；
（d）不稳分配ICLDH-GDY的正电荷规格差；
（e-f）e-ICLDH-GDY/NF组成的Fe 2p和Co 2p核能发电级XPS光谱图；
（g）GDY、ICLDH和e-ICLDH-GDY的拉曼光谱图；
（h）型成OOH*的自主能变换或GDY（ΔG1）和e-ICLDH-GDY（ΔG2）的相关联比较稳定结构的；
（i）构成GDY和ICLDH层的电源接口系统化3d和2p频段的PDOS；
（j）界面区域附近的Fe 3d、Co 3d、H2O-s和H2O-p带的PDOS；
（k）酸碱度的条件下HER对e-ICLDH-GDY、ICLDH和GDY的养分渠道；
（l）较以下三个装置清水化解的衔接趋势垒；
（m）这以下三个控制系统的H-物理化学活性炭吸附。


图六、GDY作为单原子催化剂的载体

（a-d）原始社会GDY的SEM、TEM和HRTEM图像文件；
（e-h）Pd0/GDY的SEM、TEM和HRTEM图像；
（i-l）从Pd0/GDY纳米片的各个区域获得的HAADF图像；
（m-p）Pd0/GDY纳米片的STEM-HAADF图像以及Pd和C原子的相应元素映射。


图七、析氢反应（HER）

（a）GDY-MoS2优化结构的俯视图；
（b）基于DFT计算的原始MoS2、GDY和GDY-MoS2中不同位点的HER在平衡电势下的自由能图；
（c）原始MoS2和GDY-MoS2异质结构的DOS；
（d）对于GDY-MoS2的PDOS；
（e）规则化扫一扫伏安法（LSV）弧线；
（f）提炼后的电离子液体剂的合适Tafel图；
（g）在连续循环试验前后记录的GDY-MoS2 NS/CF和MoS2 NS/CF的LSV曲线；
（h）每1000次循环后在10、50、100和200 mA cm-2处的过电势;
（i）在0.5 M H2SO4中的LSV曲线。


图八、氧还原反应（ORR）

（a）降解在Fe-GDY外表上的*OOH、*O和*OH的氧分子构型的俯瞰图；
（b-c）计算了Fe-GDY和Pt(111)催化剂表面上平衡电极电位U4e0和实验测量起始电位Uonset的ORR 4e-通路的自由能图；
（d）室温下，在N2饱和和O2饱和的0.1 M KOH溶液中，Fe-GDY催化剂和市售Pt/C催化剂的循环伏安（CV）响应；
（e）在O2饱和的0.1 M KOH溶液中，Fe-GDY催化剂和市售20wt％Pt/C催化剂的进行转盘电极测量；
（f）Fe-GDY ORR催化反应的作用剂的增强性。

图九、完全分解水

 （a-b）HER和OER的过程估算的自由度能的化学上的离心分离型号；
（c）碱性条件下，计算H2O活化和H吸附的自由能图；
（d）碱物料中OER的公民权能图；
（e-f）极化线条；
（g-h）在1.0 M KOH中，HER和OER的有效Tafel图；
（i）CoNx-GDY NS/NF在10000次循环前后的极化曲线；
（j）CoNx-GDY NS/NF在2000次循环前后的极化曲线；
（k）两工业软件系统中分解成试品的CV线性；
（l）在碱性电解槽中，FeCH-GDY/NF在10 mA cm-2时随时间变化的电流密度曲线。


图十、Mo0/GDY电催化剂的电化学NRR性能

（a）在0.1 M Na2SO4电解质中，不同电势下经过2 h电化学NRR后的紫外可见吸收光谱；
（b-c）在0.1 M Na2SO4中，不同施加电势下的FEs和YNH3；
（d）不同批次的Mo0/GDY电催化剂生产的NH3的YNH3和FEs；
（e）在N2饱和与Ar饱和电解质下，测试的Mo0/GDY电催化剂的紫外可见吸收光谱；
（f）在环境条件下，于-1.2 V电解2 h后，纯GDY和Mo0/GDY电催化剂生成NH3的量；
（g-h）在0.1 M HCl中，不同的施加电势下的FEs和YNH3；
（i）在环境条件下，于-0.1 V电解2 h后，纯GDY和Mo0/GDY电催化剂生成NH3的量。

汇报总结与瞻望  
文章归纳总结了GDY的框架设计和本质特征，涉及到氧分子框架设计、智能电子本质特征、物理本质特征和稳明确高性。钻研背景以上本质特征，还讨论会了GDY看作电促使剂媒介的行不通性。接下来，钻研了各式GDY载荷的电促使剂，相结合点讲述了GDY在以上 挽回材料中的功能。明确们来说，GDY的出现能够增进载流子的转换功能、调节离心分离性、增大电阻率，并提高传质功能。述评了GDY载荷型电促使剂在能量转换有效的转化中的电普通机械app。没想到表示，GDY载荷型电促使剂对HER、OER、ORR、OWS和NRR等各式电普通机械app具备着高性价比参数。
尽管由于GDY的电促使剂在激光体力转成部分争取半个些伟大成就，虽然该行业的探究仍处在初级社的关键时期，还发生下例挑衅和商业机会：（1）迫在眉睫是可不可以发掘使采用生成大数量、效能高角度且价值有效的GDY和GYs的技巧工艺，得以为原理探究和现实应运提供了坚如磐石的核心；（2）除GDY外，所以含有不相同乙炔键的GYs的制得方法步骤如GY、GY-3和GY-4仍处在原理的关键时期，故可不可以从进行化验室荣获含有调节器的结构特征和效能指标的GY、GY-3和GY-4；（3）必须选用各种的新定量分析技巧工艺，以从大分子水准和氧原子水准全面的熟知 的结构特征、特点和效能角度期间的电话联系；（4）必须深入理论研究所以体现，以使GDY可达可不可以的带隙、电子技术效能角度、机械厂效能角度和光学反应效能角度；（5）GDY的应运依据不宜受限于激光体力换算。因GDY在传传感系统器、**平台、有毒气体区分、电芯、极品电容（电干净的器皿）器和海域淡化黑色素等各种应运中也展示出较大的能力，虽然当下在他们部分的探究还处在不久的关键时期，是可不可以进入各种的耐心来发掘GDY基面材料料以使采用现实应运。总的来说，信赖所以挑衅和瑕疵可不可以以战胜， GDY基面材料料必然应运到不同行业
文献链接：Graphdiyne: A Rising Star of Electrocatalyst Support for Energy Conversion（Adv. Energy Mater., 2020, DOI: 10.1002/aenm.202000177）