“夢幻材料”石墨炔在電化學領域有什么新應用？

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。中國適時提出的“雙碳”目標是實現(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可和關注。

為了實現(xiàn)“雙碳”的遠大目標，我們需要利用更加清潔的能源。而怎樣利用好新能源呢？這個時候需要借助兩個關鍵策略：電化學能量儲存和轉換。而一種新型全碳材料石墨炔（Graphdiyne，簡稱GDY）的應用，為傳統(tǒng)的方案提供了新的視角和啟發(fā)。

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

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構靈活性，也使得電化學界面的環(huán)境調控變得容易。

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

圖1. 石墨炔在能量儲存和能量轉換領域中的應用場景
（圖片來源：參考文獻[1]）

石墨炔在電化學儲能領域的應用

電化學儲能在推動未來的能源革命發(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、筆記本電腦、電動汽車等。不僅應用廣泛，鋰離子電池也使得我們的日常生活更為經(jīng)濟，高效和環(huán)保。

然而鋰電池的實際應用過程中，有一個問題制約了鋰電池性能。那就是界面問題。現(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)，通過對石墨炔的改性，應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？實驗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力學性能，因為石墨炔的孔洞可以無障礙地透過鋰離子，卻能將溶劑分子阻隔在外。

除鋰之外，石墨炔薄膜對質子也具有高電導率和高選擇性，加之近乎完美的機械性能和化學穩(wěn)定性，這也展現(xiàn)了石墨炔在燃料電池領域的良好應用前景。

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[1]）

研究人員也將石墨炔的生長與電極制備結合起來，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，從而為離子和電子的傳導提供穩(wěn)定通道，并對電極提供了強大的立體保護。

圖3. 石墨炔形成的保護界面示意圖
（圖片來源：參考文獻[1]）

石墨炔在電化學能量轉換領域的應用

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

石墨炔在電化學能量轉換領域的應用場景十分廣泛，包括氧還原反應（ORR）、析氧反應（OER）、析氫反應（HER）、氮氣還原反應（NRR）和二氧化碳還原反應（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)絡中的電子是不均勻的，具有產生新活性位點的可能性。以下我們從ORR和NRR兩個反應實例來介紹石墨炔發(fā)揮的具體作用。

首先是ORR催化反應，它是下一代高能量密度電化學能源技術的基本反應。

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)生燃燒反應的氧化劑，在質子交換膜燃料電池中，氧氣也是關鍵的部分。如果有一種材料，可以促進氧氣的吸附，那么將會有利于ORR催化反應的過程。

而在這個催化反應的過程中，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，可以促進活性位點上的氧氣吸附和后續(xù)的電子轉移。此外，基于石墨炔的負載單原子催化劑在ORR的反應過程中也被認為是有效的。

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

在NRR反應中，石墨炔也有它的作用。

氨（NH3）在農業(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)境保護方面能夠展現(xiàn)巨大的應用前景。

在NRR反應中，研究人員發(fā)現(xiàn)石墨炔可以間接固定氨氣，進而有助于后續(xù)的NRR反應。具體的過程是這樣的：研究人員發(fā)現(xiàn)原子分散的零價鉬（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。通過理論計算表明，鉬原子上的局部電荷會重新分配并成為富電子中心，同時Mo原子成為氮氣的吸附位點并發(fā)生后續(xù)的NRR反應。

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

總結

在電化學儲能與轉換領域，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，但仍處于初級研究階段。

不過，科學家們正對已有的應用領域進行更加深入、系統(tǒng)的研究，進一步拓展石墨炔的實際應用場景。例如，作為具有天然能量帶隙的新型全碳半導體，在電子器件中的應用，如場效應晶體管、人工智能器件、可穿戴器件和光電器件等等。

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

編輯：郭雅欣

參考文獻：
[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.