您当前所在位置：首页 > 资讯信息 > 科研动态
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。

图案与文字详细解读  


图一、分子结构

（a）经过线形乙炔使石墨烯材料与GY-无线连接的芳族基团的提示图；
（b-e）更具有所不同炔键颗数的GYs；
（f-g）从俯看图看，单层GDY系统软件的优化调整搭配分为为AB(β1)和AB(β2)；
（h-j）从俯看图看，二层GDY软件系统的二个或者调试：ABA(γ1)、ABC(γ2)和ABC(γ3)调试。


图二、GDY作为金属氧化物的载体

（a-d）NiO-GDY NC的TEM和HRTEM形象；
（e）NiO-GDY NC奈米立米体中Ni、O和C的EDX映照；
（f）非常NiO-GDY NC和初始NiO NC的夺辩认率Ni 2p XPS光谱仪；
（g）NiOGDY NC的正电荷高密度考虑图。


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）催化剂载体的作用剂的瞬时光電流加载；
（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）备制二三层納米管阵列的图示图；
（b）具备有iR赔偿费的HER极化曲线拟合；
（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的比较稳定手机配置；
（d）不稳调试ICLDH-GDY的电势规格差；
（e-f）e-ICLDH-GDY/NF框架的Fe 2p和Co 2p原子能级XPS光谱图；
（g）GDY、ICLDH和e-ICLDH-GDY的拉曼光谱分析；
（h）构成OOH*的任意能变化无常、GDY（ΔG1）和e-ICLDH-GDY（ΔG2）的以及安稳架构；
（i）富含GDY和ICLDH层的模块体统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）酸碱性环境下HER对e-ICLDH-GDY、ICLDH和GDY的能源经由；
（l）对比6个软件系统地下水拆分的调整势头垒；
（m）这6个系统化的H-化学反应吸收。


图六、GDY作为单原子催化剂的载体

（a-d）最原始GDY的SEM、TEM和HRTEM影像；
（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）规则化打印伏安法（LSV）等值线；
（f）镶嵌后的电离子液体剂的相对应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）吸收在Fe-GDY表面上上的*OOH、*O和*OH的原子团构型的仰视图；
（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离子液体剂的安全稳定义。

图九、完全分解水

 （a-b）HER和OER全过程来计算的公民权能的化学式吸附剂三维模型；
（c）碱性条件下，计算H2O活化和H吸附的自由能图；
（d）碱有机溶剂中OER的放任能图；
（e-f）极化曲线拟合；
（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）两电级程序中组成印刷品的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。

汇总了与设想  
这段话总结范文了GDY的机构和的无机无机化学稳定性，属于原子机构、智能电子的无机无机化学稳定性、机戒的无机无机化学稳定性和增强性。依托于这个的无机无机化学稳定性，还座谈了GDY作电离子液体剂承载的能够性。如果，科学研究了不同的GDY根据的电离子液体剂，并举点说了GDY在这个 组合产品中的的作用。具体的而言的，GDY的发生可以增长载流子的转意治疗效果、改善减少性、加剧导电率，并快速传质治疗效果。专题报告了GDY根据型电离子液体剂在消耗的能量和转化了中的电无机无机化学APP领域。的结果证实，GDY根据型电离子液体剂对HER、OER、ORR、OWS和NRR等不同的电无机无机化学APP领域还具有高稳定性。
虽说系统设计GDY的电催化反应剂在能力生成问题确认一些成功，如果该的科技领域的调查仍出现中级工时段，还都存在左右的考验和机会：（1）亟待解决需设计设计用作合成视频大投资额、高效能且市场价合理的的GDY和GYs的技术水平面操作科技领域，以此为策略调查和实践上操作科技领域保证扎实的基础上；（2）除GDY外，多种具备着不同的乙炔键的GYs的提纯方式如GY、GY-3和GY-4仍出现策略时段，故值得一看从实验操作室拿到具备着会调节设计和属性的GY、GY-3和GY-4；（3）可能进行更大的新表现技术水平面操作科技领域，以从水分子技术水平面甚至会水分子技术水平面周到要了解设计、类别和效能区间内的链接；（4）可能科学探索多种呈现，以使GDY提升需提交的带隙、智能效能、物理效能和光学仪器效能；（5）GDY的操作科技领域范围图不得受到限制能力变为。这是由于GDY在感应器器、**媒体、气休破乳、电板、绝对电感器和海里的水淡化黑色素等另一操作科技领域中也出现出庞大的竞争力，如果现阶段性在这样的问题的调查还出现换挡时段，需投入到更大的气力来设计设计GDY基本的材质材料料以用作实践上操作科技领域。肯定，说实话每个的考验和优点缺点都会以抑制， GDY基本的材质材料料进而操作科技领域到各大的科技领域
文献链接：Graphdiyne: A Rising Star of Electrocatalyst Support for Energy Conversion（Adv. Energy Mater., 2020, DOI: 10.1002/aenm.202000177）