Advanced Energy Materials:石墨炔:新兴电催化剂载体用于能量转换

化石燃料的大量消耗虽然促进了经济的快速发展,但是同时也带来了严重的能源短缺和环境污染。开发一种高效和可持续的技术生产清洁能源来代替不可再生能源是一个不错的选择。电催化技术因其操作简单,经济高效以及投入成本低等优点被认为是一个理想的技术。电催化剂是电催化技术的核心,开发高性能以及高稳定性的电催化剂是当前所面临的巨大的挑战。目前已经有一些电催化剂如贵金属、金属氧化、过渡金属硫化物以及层状双氢氧化物已经被开发用于电催化领域,但是他们有一些缺点如导电性能差、易团聚等。将这些电催化剂负载在碳材料上将有效改善这些缺点,从而提高电催化的性能。与之前已经制开发的碳材料不同,石墨炔首次实现了sp1和sp2杂化碳原子在二维平面结构中的共存。这使得石墨炔具有优异的性能如可调节的禁带宽度、高速的载流子迁移效率、导电性能强、高度的π共轭以及规则有序孔隙结构。因此石墨炔有望成为一个新型的电催化剂载体来提升传统电催化剂的催化性能。

湖南大学环境学院曾光明教授、赖萃副教授课题组就石墨炔作为不同电催化剂载体来提升催化剂的性能用于能量转换进行了总结。他们从分子结构,电子属性,机械属性和稳定性分析了石墨炔作为电催化剂载体的可行性。石墨炔的高速的载流子迁移率以及强导电性可以提高传统电催化剂的导电性能,大的比表面积可以提高传统催化剂的分散度,规则有序的孔道结构可以提高传质效果,优异的机械属性和稳定性可以提高催化剂的整体稳定性。基于此,该课题组详细的总结了不同石墨炔负载的电催化剂,同时分析了石墨炔在这些电催化剂中是如何提升其催化性能的。此外,该课题组系统的总结了这些石墨炔负载的电催化剂在能量转换方面的应用,包括析氢反应、析氧反应、氧还原反应、全解水以及氮还原。最后,该课题组就石墨炔以及石墨炔基材料在未来的发展提出了自己的几点展望。

相关结果发表在Advanced Energy Materials (DOI: 10.1002/aenm.202000177)上。