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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。


成果展间介  
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。

微信图文梳理  


图一、分子结构

（a）经由非线性乙炔使石墨稀与GY-接入的芳族基团的展示图；
（b-e）兼有区别炔键流通量的GYs；
（f-g）从俯看图看，双层玻璃GDY控制系统的升级优化安装分别是为AB(β1)和AB(β2)；
（h-j）从仰视图看，有三层GDY系统化的几个可能会配值单：ABA(γ1)、ABC(γ2)和ABC(γ3)配值单。


图二、GDY作为金属氧化物的载体

（a-d）NiO-GDY NC的TEM和HRTEM图像文件；
（e）NiO-GDY NC纳米技术万立方体中Ni、O和C的EDX映；
（f）会比较NiO-GDY NC和原NiO NC的好成绩辨率Ni 2p XPS光谱仪；
（g）NiOGDY NC的自由电荷体积对比图。


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）催化氧化剂的瞬时光电产品流卡死；
（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）配制五层微米管阵列的表示图；
（b）具备着iR来补偿的HER极化直线；
（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的维持选配；
（d）稳定性分配ICLDH-GDY的正电荷高密度差；
（e-f）e-ICLDH-GDY/NF结构设计的Fe 2p和Co 2p核能源级XPS光谱仪；
（g）GDY、ICLDH和e-ICLDH-GDY的拉曼光谱图；
（h）形成了OOH*的人身自由能影响或者GDY（ΔG1）和e-ICLDH-GDY（ΔG2）的响应安全稳定结构类型；
（i）蕴含GDY和ICLDH层的界面系统软件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）含碱能力下HER对e-ICLDH-GDY、ICLDH和GDY的势能方式；
（l）特别三种整体清水分解的的过渡期状况垒；
（m）这3个系統的H-生物学粘附。


图六、GDY作为单原子催化剂的载体

（a-d）原使GDY的SEM、TEM和HRTEM形象；
（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）波形扫描仪扫描伏安法（LSV）斜率；
（f）镶嵌后的电催化氧化剂的应当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）吸附剂在Fe-GDY单单从表面上的*OOH、*O和*OH的氧原子构型的俯瞰图；
（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崔化剂的安全性。

图九、完全分解水

 （a-b）HER和OER过程中来计算的自由自在能的耐腐蚀粘附沙盘模型；
（c）碱性条件下，计算H2O活化和H吸附的自由能图；
（d）强碱材质中OER的自由权能图；
（e-f）极化身材曲线；
（g-h）在1.0 M KOH中，HER和OER的合适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）两电极材料平台中镶嵌土样的CV的身材曲线；
（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。

总结报告与未来展望  
这篇文归纳总结了GDY的构成和属性，是指氧分子构成、智能电子属性、机械装备属性和相对承载能力处理。立于等属性，还探讨了GDY身为电促使剂质粒载体的项目可行性性。再，论述了很多GDY额定短路电流的电促使剂，重在点简介了GDY在等 复合型物料中的效果好。都具有在于，GDY的存有可不可以延长载流子的更改热效率、提升单一性、多电阻率，并加快传质效果好。综诉了GDY额定短路电流型电促使剂在势能转化率中的电物理化学物质适用。数据证明，GDY额定短路电流型电促使剂对HER、OER、ORR、OWS和NRR等很多电物理化学物质适用都具有高功率方面。
即便是根据GDY的电离子液体剂在能量消耗场转变个层面完成没事些造就，并且该行业的调查探讨仍居于中级工关键时期，还存在着一些试炼和创业机会：（1）急迫想要激发用在转化成大产值、高使用稳定性且价格多少科学的GDY和GYs的技木情况，可为理论知识体系调查探讨和具体用出示夯实的框架；（2）除GDY外，任何有着各乙炔键的GYs的制得方案如GY、GY-3和GY-4仍居于理论知识体系关键时期，故比较适合从科学验室取得有着可调节框架和规定性的GY、GY-3和GY-4；（3）该使用更加的新分析方法技木情况，以从氧分子核情况还会氧分子情况推进改革介绍框架、规定性和使用稳定性内的连接；（4）该打磨任何呈现，以使GDY提高的需求的带隙、电子技术使用稳定性、机械装备使用稳定性和电子光学使用稳定性；（5）GDY的用区间不得受限于能量消耗场转变成。为了GDY在感测器器、**形式、有机废气气体分離、锂电池、极品电贮罐器和海面改变等一些用中也提示 出强大的竞争力，并且现今在某些个层面的调查探讨还居于兴起关键时期，想要成本更加的精力的来激发GDY材料料以用在具体用。总而言之，信任整个试炼和缺陷：都能够以缓解， GDY材料料势必用到各行业
文献链接：Graphdiyne: A Rising Star of Electrocatalyst Support for Energy Conversion（Adv. Energy Mater., 2020, DOI: 10.1002/aenm.202000177）