李玉良院士解读新兴电化学能源材料石墨炔│CellPress对话科学家

石墨炔（Graphdiyne）是一种新兴的二维碳材料，由中国科学院化学研究所李玉良院士团队于2010年首次制备。近年来，围绕石墨炔在锂离子电池、催化剂、太阳能电池、电化学驱动器等方面应用的前沿性探索研究已经展开，并取得了引发新能源业界瞩目的成果。

近期，李玉良院士团队又深刻分析了石墨炔的本征性质，并结合电化学能源转换中电化学界面的关键性问题，提出了石墨炔新型电化学界面，为解决电化学能源转换器件中诸多关键科学问题带来的新的认识。基于此撰写的研究论文Emerging Electrochemical Energy Applications of Graphdiyne于2月25日发表在Cell Press细胞出版社旗舰能源旗舰期刊Joule上。

针对该论文的主要亮点，以及石墨炔在电化学能源材料领域应用前景等问题，Cell Press邀请李玉良院士接受了专访。

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关于李玉良院士

中国科学院化学研究所研究员、中国科学院大学教授、博士生导师，中国科学院院士。曾在荷兰阿姆斯特丹大学化学系、美国Nortre Dame (圣母)大学放射实验室和香港大学化学系从事研究及合作研究。2002年、2005年和2014年三次获得国家自然科学二等奖，并获北京市科学技术奖（自然科学）一等奖两次，中国科学院自然科学二等奖一次。首届全国创新争先奖获得者，2017年获何梁何利科学与技术进步奖。研究领域为碳基和富碳分子基材料定向、多维、大尺寸聚集态结构和异质结构自组织生长、自组装方法学以及在能源、催化和光电等领域的应用。

作者专访

Cell Press：作为一种新兴的二维碳材料，石墨炔是由您的团队首次制备的。您能否介绍一下石墨炔的主要特点有哪些？

李玉良院士：石墨炔作为二维碳材料在电子结构和化学结构上特点突出。其可在液相环境中合成，改变了传统碳材料制备方式；具有本征带隙，而且依据不同厚度、形貌等带隙可调（从0.45到1.3eV）；具有平面内多孔结构，孔径尺寸可精确控制，可以获得优异的选择性透过功能；杂原子以及具有特定功能的官能团可以准确的修饰石墨炔，调控石墨炔的能带结构和化学、物理性质等；具有优异的电荷传输和载流子迁移能力；sp和sp2杂化的二维网络全碳结构以及丰富的π键，使得石墨炔兼具独特的化学活性和物理稳定性，因此可以进行繁多的衍生化和一系列的化学反应，且反应位点明确、结构清楚。因此，石墨炔与传统碳材料具有很强的差异性。

Cell Press：与传统碳材料对比，石墨炔作为电化学能源转换器件的独特优势表现在哪些方面？

李玉良院士：制备和加工问题是限制传统碳材料在电化学能源器件深度应用的关键。传统碳材料制备通常都是在条件苛刻的情况下进行的，并存在高效分离、分散困难等问题，这些问题严重限制传统碳材料在电化学能源领域的广泛应用。由于传统碳材料需要高温生长，难以与很多电极材料高质量复合（比如常见的氧化物电极、半导体材料等），这会造成电极不均匀、一致性差等问题。石墨炔可以在温和的溶液条件下合成和任意基底上可控生长（不同厚度、不同形貌等），从根本上避免了常规碳材料苛刻的制备条件和高分散问题。此外，石墨炔本身是二维多孔全碳材料，具有优异的电子离子传导能力，十分契合电化学能源器件需求。石墨炔电子不均匀分布、本体丰富的活性位点可衍生出无限的具有不同带隙的新结构、新材料，这也是石墨炔的显著优势，可以引发很多新的研究方向。

Cell Press：目前，将石墨炔用为电化学能源转换的研究进展如何？能否列举几个近年来取得的重要突破？

李玉良院士：我团队以及国内外对石墨炔有兴趣的团队近年来都做了大量的工作，作为石墨炔潜在应用探索的一部分，其在电化学能源转换领域的基础应用研究发展很快。石墨炔的电子结构和天然多孔网络结构等新颖特征激发了研究人员很多的新思维，比如通过石墨炔可以实现零价金属原子的锚定（锚定零价过渡金属原子是国际上一直没有解决的难题），解决了传统载体上作为团簇存在的单原子催化剂易迁移、聚集和电荷转移不稳定等关键问题。石墨炔锚定的零价贵金属原子催化剂，显著改善了催化剂的活性、活性位点、活性面积，有可能实现贵金属催化的原子经济性最大化；石墨炔的可控掺杂产生了一系列新的氮掺杂结构，实现sp杂化的氮活性位点的高效制备，显示了很高的催化活性，大大提高了氧还原效率；石墨炔的出现在各领域还催生了一批新概念，例如通过烯-炔互变性质，实现了电能到机械能的高效转化，突破了几十年来换能效率小于1%，创造了6.03%换能效率新纪录，电容高达237F/g，能量密度高达11.5KJ/m3，是迄今为止能量密度最接近哺乳动物生物肌肉能量密度的，为人工智能开启了新方向。石墨炔的独特结构，已在不同领域催生了很多新概念、新现象和新性质，我们期待着石墨炔在电化学能源转化方面取得更多突破性进展。

Cell Press：您认为石墨炔可以解决电化学能源转换过程中的哪些瓶颈问题？

李玉良院士：电化学能源的相关种类很多，但是目前成熟的、可以商业化的种类却很有限，比如锂离子电池和燃料电池。实际上，电化学能源的多元化发展受到限制，可以说大多数的电化学能源都有瓶颈问题。石墨炔的先天优势（任意基底下的原位生长、契合的电子结构和化学结构、二维大孔骨架等）正是很多电化学能源器件需要的。从目前石墨炔在电化学能源方面的应用发展角度来看，它具有很大的潜力，可以解决电化学能源转换器件的能量转换效率、安全、稳定等瓶颈问题。

Cell Press：您是否看好石墨炔作为一种新兴电化学能源材料的未来前景？

李玉良院士：从石墨炔近几年来在电化学能源领域的应用发展分析，我们坚信石墨炔是新型的、可以解决诸多问题的电化学能源材料，发展前景非常广阔。针对诸多电化学能源的关键问题，石墨炔既可扮演主体材料的角色，也可以拾遗补缺，我们相信石墨炔对于电化学能源的多元化发展能够做出重要且独特的贡献。

Cell Press：石墨炔材料的发展还面临着哪些挑战？

李玉良院士：石墨炔的研究也走过了8年的历程，伴随着我们这些年的刻苦耕耘和国际、国内众多科学家的不懈努力，一个一个科学问题不断被解决，使石墨炔研究一步步走向成熟，当然石墨炔研究领域还有很多科学问题和挑战等待我们解决，目前最迫切需要解决的挑战问题是：建立宏量、高质量石墨炔连续制备新方法；大面积、高取向单层和少层石墨炔薄膜可控制备方法学；宏量非晶样品到晶态转变新技术等。我们相信随着研究的不断深入这些挑战问题都将得到很好的解决。 

Cell Press：能否分享下您的团队未来在石墨炔方面的主要研究工作计划？

李玉良院士：我们做材料引领许多发达国家科学家参与是很难的事，目前这一步我们做到了。未来我们将倾其全力引领这一领域的发展和进步，主要研究计划是：实现大面积（厘米级）、高取向石墨炔薄膜的制备；建立可稳定、连续制备宏量、高质量石墨炔关键技术和方法以及石墨炔衍生化，经2-3年努力形成以石墨炔为基础的新型碳材料体系；揭示石墨炔的物理与化学新性质、新现象与新效应；探索石墨炔在能量转换和催化等领域的新应用模式；构建基于高效化学键可逆转换的新原理快速应变能量转换器件；我们提出了原子催化的新概念，未来几年建立高效制备石墨炔原子催化剂的新方法，在高效利用上获得突破。

李玉良院士团队

相关论文信息

论文原文刊载于Cell Press细胞出版社旗下化学旗舰期刊Joule上，点击”阅读原文“或扫描下方二维码查看论文

论文标题：

Emerging Electrochemical Energy Applications of Graphdiyne

论文网址：

https://www.cell.com/joule/fulltext/S2542-4351(19)30045-5

DOI:

https://doi.org/10.1016/j.joule.2019.01.016