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。


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。

圖文讲解  


图一、分子结构

（a）使用线性网络乙炔使石墨烯材料与GY-连结的芳族基团的提示图；
（b-e）有有差异 炔键条数的GYs；
（f-g）从俯览图看，两层GDY机系统的改进硬件配置不同为AB(β1)和AB(β2)；
（h-j）从仰视图看，五层GDY程序的二个概率分配：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形象；
（e）NiO-GDY NC纳米技术万立方体中Ni、O和C的EDX镜像；
（f）非常NiO-GDY NC和默认NiO NC的好成绩辨率Ni 2p XPS光谱图；
（g）NiOGDY NC的自由电荷相对密度参照图。


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）溶剂的作用剂的瞬时光电公司流没有响应；
（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）制作两层纳米级管阵列的图示图；
（b）含有iR赔偿金的HER极化等值线；
（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的保持稳定手机配置；
（d）不稳定性选配ICLDH-GDY的正电荷体积差；
（e-f）e-ICLDH-GDY/NF结构的的Fe 2p和Co 2p核能源级XPS光谱仪；
（g）GDY、ICLDH和e-ICLDH-GDY的拉曼光谱分析；
（h）造成OOH*的自在能的变化合理GDY（ΔG1）和e-ICLDH-GDY（ΔG2）的合理不稳格局；
（i）构成GDY和ICLDH层的插孔体系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）酸碱度具体条件下HER对e-ICLDH-GDY、ICLDH和GDY的能量是什么方法；
（l）很二个系统软件再生水拆分的缓冲间状况垒；
（m）这两个装置的H-化工吸出。


图六、GDY作为单原子催化剂的载体

（a-d）原创GDY的SEM、TEM和HRTEM图案；
（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）波形打印伏安法（LSV）斜率；
（f）制作而成后的电离子液体剂的响应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）离心分离在Fe-GDY面上的*OOH、*O和*OH的分子构型的俯瞰图；
（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促使剂的动态平衡性。

图九、完全分解水

 （a-b）HER和OER的过程 测算的独立能的有机化学吸沙盘模型；
（c）碱性条件下，计算H2O活化和H吸附的自由能图；
（d）碱材质中OER的自在能图；
（e-f）极化直线；
（g-h）在1.0 M KOH中，HER和OER的合理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）两工业控制系统中镶嵌样本的CV曲线拟合；
（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。

总结出与发展趋势  
这篇文章分析了GDY的组成部分和经营电学物质概念，包扩氧分子组成部分、网上经营电学物质概念、机制经营电学物质概念和不稳定性处理性。来源于一些经营电学物质概念，还小组讨论了GDY用作电促使反应剂承载的有效性。第二，探讨了所有GDY负荷的电促使反应剂，重在点介绍英文了GDY在一些 黏结文件中的效应。准确某种程度，GDY的留存不错从而提高载流子的转交热效率、提升发散性、加入电阻率，并加速度传质郊果。具体描述了GDY负荷型电促使反应剂在能量消耗转换中的电学物质适用。成果证明，GDY负荷型电促使反应剂对HER、OER、ORR、OWS和NRR等所有电学物质适用都具有高机械性能。
既然针对GDY的电催化反应剂在活力转化成管理因素拿得新一些实现，同时该教育方向的科研仍长期处在初快步骤，还发生下面的成就赛和新机遇：（1）迫在眉睫需研发用在合成视频大投资额、高的性且定价合理的的GDY和GYs的科技性，所以为基本原理科研和真实使用能提供深厚的依据；（2）除GDY外，另一存在有所差异乙炔键的GYs的提纯方式方法如GY、GY-3和GY-4仍长期处在基本原理步骤，故有必要从科研室收获存在调节器型式和特点的GY、GY-3和GY-4；（3）都肯定分为更高的新分析方法科技性，以从碳共价键的技术水平甚至会共价键的技术水平全面、明确明白型式、性和的性相互之间的保持联系；（4）都肯定探求另一遮盖，以使GDY到必需的带隙、电子技术的性、自动化机械的性和光学仪器的性；（5）GDY的使用比率不行限活力转成。这是因为GDY在感测器器、**各种载体、甲烷气体离心分离、电瓶、超級电感器和大海淡掉等另一使用中也显现出巨型的实力，同时当下在以上管理因素的科研还长期处在开始步骤，需投资更高的活力来研发GDY基本的材质材料料以用在真实使用。一直以来，信自己很多成就赛和利弊都要以不要， GDY基本的材质材料料决不能使用到每个教育方向
文献链接：Graphdiyne: A Rising Star of Electrocatalyst Support for Energy Conversion（Adv. Energy Mater., 2020, DOI: 10.1002/aenm.202000177）