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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。


工作成效详细资料  
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。

图文制作深度解读  


图一、分子结构

（a）借助线形乙炔使纳米材料与GY-联系的芳族基团的构造图；
（b-e）享有有差异 炔键金额的GYs；
（f-g）从俯览图看，单层GDY设备的提升运行环境分开为AB(β1)和AB(β2)；
（h-j）从俯瞰图看，3层GDY系统软件的以下三个概率运行环境：ABA(γ1)、ABC(γ2)和ABC(γ3)运行环境。


图二、GDY作为金属氧化物的载体

（a-d）NiO-GDY NC的TEM和HRTEM图文；
（e）NiO-GDY NC納米万立方体中Ni、O和C的EDX遍历；
（f）是比较NiO-GDY NC和原史NiO NC的得辨别好坏率Ni 2p XPS光谱图；
（g）NiOGDY NC的正电荷强度可以参考图。


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公司流加载失败；
（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）分离纯化三层楼納米管阵列的示活动反思图；
（b）极具iR房屋补偿的HER极化弧度；
（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的动态平衡调试；
（d）不稳定性调试ICLDH-GDY的带电粒子密度计算差；
（e-f）e-ICLDH-GDY/NF构造的Fe 2p和Co 2p原子能级XPS光谱仪；
（g）GDY、ICLDH和e-ICLDH-GDY的拉曼光谱图；
（h）建立OOH*的公民权能转变及其GDY（ΔG1）和e-ICLDH-GDY（ΔG2）的相对应的动态平衡设计；
（i）包含了GDY和ICLDH层的标准接口软件系统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）碱性食物要求下HER对e-ICLDH-GDY、ICLDH和GDY的能量消耗路径；
（l）更加三体系地下水吸附的过渡性经济形势垒；
（m）这八个整体的H-电化学吸出。


图六、GDY作为单原子催化剂的载体

（a-d）原GDY的SEM、TEM和HRTEM图文；
（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）直线扫描拍摄伏安法（LSV）的身材曲线；
（f）制作而成后的电催化氧化剂的以及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）吸附物在Fe-GDY外面上的*OOH、*O和*OH的电子层构型的仰视图；
（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促使剂的安全性。

图九、完全分解水

 （a-b）HER和OER期间计算的的轻松自由能的普通机械过滤沙盘模型；
（c）碱性条件下，计算H2O活化和H吸附的自由能图；
（d）碱媒介中OER的自主能图；
（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）两金属电极系統中合成图片样品管理的CV线条；
（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。

个人小结与未来展望  
文章总结报告了GDY的设计和本质特征，涉及团伙设计、智能电子本质特征、机械性本质特征和固相关性。来源于一些本质特征，还审议了GDY身为电崔化剂各项载体的有效性。然而，论述了各项GDY额定电机负载电阻的电崔化剂，相结合点了解了GDY在一些 和好的原材料中的用途。按照而言的，GDY的有是可以延长载流子的转出热效率、持续改善不集中性、延长导电率，并速度传质疗效。综诉了GDY额定电机负载电阻型电崔化剂在力量转换成中的电无机化学分析式适用。最后体现了，GDY额定电机负载电阻型电崔化剂对HER、OER、ORR、OWS和NRR等各项电无机化学分析式适用有着高效能。
即便是特征提取GDY的电离子液体剂在卡路里转化成问题达成一些成果，所以该空间的的学习探讨仍位于基本一步骤，还的存在以內考验和商业机会：（1）紧迫想要设计规划管理中用分解大投资规模、高耐热性且单价合情合理的GDY和GYs的的水平方向用，所以为说法的学习探讨和现实用带来牢靠的基本；（2）除GDY外，拥有具备着与众不同乙炔键的GYs的光催化原理手段如GY、GY-3和GY-4仍位于说法一步骤，故有必要从进行实验室建设获取具备着能调节组成部分和优点的GY、GY-3和GY-4；（3）应利用多的新定性分析的水平方向用，以从团伙的水平方向以至于氧分子的水平方向切实清楚组成部分、规定性和耐热性相互的取得联系；（4）应探索性拥有装饰，以使GDY实现的需求的带隙、光电耐热性、设备耐热性和光学薄膜耐热性；（5）GDY的用空间不应该只限卡路里准换。会因为GDY在传红外感应器器、**的载体、汽体破乳、微型蓄电池、超强电感器和海淡掉等另外的用中也表现出惊人的提升空间，所以近年来在那些问题的的学习探讨还位于踩油门一步骤，想要放进多的时间精力来设计规划管理GDY材料的特性料以中用现实用。尽管，坚信拥有考验和不足之处能够以应对， GDY材料的特性料必然用到不同空间
文献链接：Graphdiyne: A Rising Star of Electrocatalyst Support for Energy Conversion（Adv. Energy Mater., 2020, DOI: 10.1002/aenm.202000177）