《二维视界》之《时点1》:张锦——石墨炔的制备与水资源利用

早在1968年,著名理论家Baughman便通过计算证明了石墨炔能够稳定存在,这在当时便引发了多个国际著名研究组对石墨炔制备的探索,然而这些都未取得成功。直至2010年,中科院化学所有机固体院重点实验室研究人员利用六炔基苯在铜片的催化作用下发生偶联反应,从而成功地通过化学方法合成了石墨炔,这为石墨炔打开了从理论计算到实验研究的大门。石墨炔是继富勒烯、碳纳米管、石墨烯之后的一种全新的碳纳米材料,它是由1, 3-二炔键将苯环共轭连接而形成的二维网络结构,这种特殊的结构内含有丰富的碳化学键、大的共轭体系、宽的面间距以及优良的化学稳定性。由于其特殊的电子结构及类似硅优异的半导体性能,石墨炔被认为能够广泛应用于催化、电子、能源、环境等领域。今天我们介绍的,是张锦老师将石墨炔应用于水资源利用方面的研究成果。

提到水资源,我们首先便想起了频繁的石油泄漏事故和工业含油污水排放,这不但造成了巨大的经济损失,而且严重地污染了环境。针对此,北京大学张锦教授课题组通过以商用铜泡沫为生长基底,制备得到了有序蜂窝状结构的石墨炔 [1]。通过PDMS包覆后,他们得到了具有极强疏水性(与水的接触角高达160o)的PDMS/石墨炔/铜泡沫分级微纳结构。他们将这种PDMS/石墨炔/铜泡沫结构应用于油水分离中,表现出了极高的分离效率和良好的可循环利用性。

石墨炔

图1 铜盒子法在一维(硅纳米线)、二维(金箔)和三维(石墨烯泡沫)基底上生长的石墨炔纳米墙结构

除了油水分离外,通过光电化学分解水更能够将总量巨大、分布广泛的太阳能用于在水资源的综合利用中。BiVO4由于其廉价、对光腐蚀的高稳定性,以及窄的带隙(2.4eV)等特点,被广泛地认为是一种具有应用前景的用于光电水解的光阳极材料。通过铜盒子的生长方法,张老师课题组在多孔BiVO4电极上原位生长出了均匀分布的垂直石墨炔纳米墙结构 [2]。由于高迁移率的石墨炔具有极高的迁移率,它能够将BiVO4价带上的光生空穴有效地传送到电极/电解液界面,从而提高光化学水分解的效率。基于上述原理,这种石墨炔/BiVO4光阳极材料的光电流为原始BiVO4电极的两倍。该研究第一次在BiVO4基底上生长出了石墨炔纳米结构,利用石墨炔载流子扩散距离大的优势增加了光生空穴的传输效率,从而大大提高了BiVO4光阳极材料的光转换效率,为高效太阳能电解水提供了可行性的解决方案。

总之,张锦老师在石墨炔的制备方面进行了一系列深入的研究,至今已发展出能够在各个维度的基底上生长出石墨炔的方法(如图1),同时利用石墨炔实现了高效的油水分离与光催化电解水,这真正将科研与实际相结合,极大地推动了石墨炔的实际应用研究!

  1. Gao, J. Zhou, R. Du, Z. Xie, S. Deng, R. Liu, Z. Liu, and J. Zhang, “Robust Superhydrophobic Foam: A Graphdiyne-Based Hierarchical Architecture for Oil/Water Separation”, Adv. Mater. 2016, 28, 168.
  2. Gao, J. Li, R. Du, J. Zhou, M. Huang, R. Liu, J. Li, Z. Xie, L. Wu, Z. Liu, and J. Zhang, “Direct Synthesis of Graphdiyne Nanowalls on Arbitrary Substrates and Its Application for Photoelectrochemical Water Splitting Cell” Adv. Mater. DOI: 10.1002/adma.201605308.
付 磊 About 付 磊

武汉大学化学与分子科学学院教授;主要研究二维材料的表面控制生长及其在柔性、能源领域的应用。更多信息请访问:http://leifu.whu.edu.cn

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