石墨炔:从合成到应用

正石墨炔是一种新型碳的同素异形体,是由sp和sp~2两种杂化形式的碳原子组成的二维层状材料~1。具有中国自主知识产权的石墨炔自2010年被首次成功合成以来,吸引了全世界来自化学、物理、材料、生物和电子等学科的科学家对其进行探索~2。石墨炔独特的纳米级孔隙、二维层状共轭骨架结构及半导体性质等特性,使之在能源、电化     

氢取代石墨单炔的机械化学合成及其电催化特性

氢取代石墨单炔是一种仅由苯环上的sp²杂化碳和氢与乙炔基上的sp杂化碳组成具有与石墨炔相似平面网状结构的二维富碳材料。本文以碳化钙和三溴苯为原料,通过机械化学方法合成了氢取代石墨单炔,并通过X射线电子能谱、拉曼光谱、固体核磁共振成像¹H谱和透射电子显微镜加以证实。紫外可见漫反射吸收光谱和电化学测试表明样品为p型半导体,带隙为2.30 eV,在硫酸钠溶液(pH = 7)中的析氧起始过电位为0.04 V,在催化产氧和光催化方面具有应用潜力。     

石墨炔结构表征及在光电催化反应中的应用

石墨炔是一种新型碳材料,自2010年实验室成功制备后受到广泛关注。石墨炔是一种由sp和sp²杂化碳组成的高度共轭结构。随着石墨炔合成化学的发展,多种不同构型的石墨炔被制备和表征。石墨炔特殊的电子和孔结构,使其在催化领域中具有广泛的应用。本文总结了近年来石墨炔材料在表征方法和光电催化反应方面的研究进展,并探讨了石墨炔未来发展的机遇和挑战。     

石墨二炔及其电子转移增强特性

石墨二炔是由sp和sp²杂化的碳原子构成的新的碳同素异形体。由于石墨二炔具有独特的拓扑结构和电子结构、较高的电荷迁移率及优异的电子传输性能,使其与其他材料相互作用,可表现出独特的电子转移增强特性。本文基于石墨二炔的电子转移增强特性,概述了石墨二炔及其电子转移增强特性的最新研究进展,包括金属氧化物/石墨二炔、金属纳米颗粒/石墨二炔、聚合物/石墨二炔以及染料分子/石墨二炔等多种石墨二炔基材料。本文从理论和实验研究两个方面详细阐述了石墨二炔的电子转移增强特性、石墨二炔与不同材料的相互作用以及相关的应用。希望该综述能对石墨炔化学的发展起到一定的积极作用。     

二维半导体材料与器件——从传统二维光电材料到石墨炔

近年来,二维半导体材料由于其独特的材料结构和电子输运特性得到了科学界的广泛关注,被应用于光电器件、催化和生物传感器等领域。本文系统概述了传统二维材料以及新兴二维材料石墨炔的发现和发展历程。重点聚焦在二维材料在光探测器领域中的应用,探讨了不同二维材料体系及器件结构对光探测器性能的影响;并详细介绍了新兴二维材料——石墨炔,及其合成和应用。展望了传统二维材料及石墨炔在光电转换器件的应用中所面临的机遇和挑战。     

二维半导体材料与器件——从传统二维光电材料到石墨炔

近年来,二维半导体材料由于其独特的材料结构和电子输运特性得到了科学界的广泛关注,被应用于光电器件、催化和生物传感器等领域。本文系统概述了传统二维材料以及新兴二维材料石墨炔的发现和发展历程。重点聚焦在二维材料在光探测器领域中的应用,探讨了不同二维材料体系及器件结构对光探测器性能的影响;并详细介绍了新兴二维材料——石墨炔,及其合成和应用。展望了传统二维材料及石墨炔在光电转换器件应用中所面临的机遇和挑战。     

石墨炔与锡烯层状体系的形变势和电声耦合及载流子传输理论研究

我们对sp + sp²杂化的碳同素异形体—石墨炔,以及锡烯等层状体系的电子结构、形变势、电声耦合和电荷输运性质进行了回顾。有些二维石墨炔具有类似石墨烯的狄拉克锥,同时石墨炔电子结构可通过将其沿不同方向裁剪成不同宽度一维纳米带来调节。采用玻尔兹曼输运方程和形变势近似,结合第一性原理计算,我们预测石墨炔电荷载流子室温迁移率可达10⁴–10⁵ cm²·V^-1·s^-1,尤其6, 6, 12-石墨炔,因有两个狄拉克锥及比石墨烯弱的电声耦合,其室温迁移率甚至能高于石墨烯。因此具有独特电子结构和高迁移率的石墨炔能成为继石墨烯之后未来的纳米电子器件材料。此外我们着重分析了形变势方法的适用性：密度泛函微扰理论和瓦尼尔插值技术能精确计算任意波矢和模式的声子对载流子散射,该方法在石墨烯和石墨炔上的运用表明二维平面碳材料中对载流子输运起主导作用的是长波长纵声学声子散射,因而形变势方法是适用的;但通过对锡烯等二维非平面buckling结构的材料声子散射和迁移率的计算,发现此类不具备σ_h对称性的材料有较强的面外声子散射和横声学声子谷间散射,使得常用的形变势失效。     

二维高分子——新碳同素异形体石墨炔研究

二维平面网络结构的石墨炔具有大的共轭体系、宽面间距、优良的化学稳定性和半导体性能.石墨炔特殊的电子结构和孔洞结构使其在信息技术、电子、能源、催化以及光电等领域具有潜在、重要的应用前景.自2010年被成功合成后,吸引了来自化学、物理、材料、电子、微电子和半导体领域的科学家,对其诱人的半导体、微纳电子、光学、储能、催化和机械性能进行了探索.本文总结了二维高分子石墨炔的研究进展,重点描述了石墨炔潜在性质和性能的理论预测,以及石墨炔的合成及其在电子、光伏、储能和催化领域的应用等.     

含异原子石墨炔基电极材料的研究进展

碳材料具有价格低廉、 易制备、 环境友好、 导电性高、 比表面积大以及适合离子存储和迁移等优点, 已成为目前应用于电化学储能器件电极的重要材料之一. 石墨炔(GDY)是一种新型的二维碳同素异形体, 由sp²碳杂化形式的苯环和sp碳杂化形式的炔键构成. 这种独特的化学结构一方面保持了碳材料良好的导电特性, 另一方面形成了新颖的离子传输通道, 为碳材料带来了不同的离子传输和存储特性. 与此同时, 由于石墨炔的空间结构可调性, 可以通过引入异原子微调石墨炔电子结构, 拓展石墨炔在电极材料领域的应用. 本文重点对近几年异原子杂化石墨炔基电极材料在锂离子电池、 钠离子电池、 金属硫电池、 电容器、 金属空气电池和电极保护等储能领域的研究工作进行总结, 并对未来石墨炔类材料在储能领域的发展进行了展望.     

二维碳石墨炔的结构及其在能源领域的应用

从二维碳材料石墨炔(GDY)的分子和电子结构出发,重点论述石墨炔在能源存储和转换两个领域的应用,包括最新的理论和实验进展。石墨炔独特的三维孔隙结构,使得石墨炔在锂存储和氢气存储应用中具备天然的优势,既可以用作锂离子相关的储能器件,包括锂离子电池、锂离子电容器等;也可作为储氢材料,用于燃料电池等。通过掺杂的方法,还能进一步提高石墨炔储锂和储氢的性能。由于sp炔键和sp²苯环的存在,使石墨炔具有多重共轭的电子结构,在具备狄拉克锥的同时,其带隙也可通过多种途径调控,使得石墨炔不仅可以作为非金属高活性催化剂替代贵金属在光催化等方面应用,还可以在太阳能电池的空穴传输层和电子传输层方面获得应用,展现了石墨炔在能源方面独特的应用价值。我们将从理论预测和实验研究两方面介绍该领域目前的研究现状和发展趋势。     

基于3d元素掺杂的石墨二炔分子传感材料性能调控

二维碳材料因其独特的性质成为凝聚态物理、纳米电子学、生物医药等领域的前沿研究热点。石墨二炔具有天然的半导体特性及独特的大孔网状结构,在纳米电子器件和生物传感方面比石墨烯更具优势。本文使用第一性原理计算研究了单层石墨二炔的纳米带电子输运性质和及石墨二炔对小分子的吸附。我们考虑用掺杂3d金属原子的方法来增强对分子的吸附力。选择在石墨二炔表面吸附能较大的钪(Sc)、钛(Ti)原子,确定石墨二炔表面Sc、Ti单原子在室温下的稳定性,研究了Sc、Ti掺杂石墨二炔用于分子检测的潜在可能。从能带、载流子浓度等方面全面探讨了Sc、Ti掺杂石墨二炔对甲醛分子(HCHO)的响应。又进一步研究了石墨二炔与氨基酸分子间相互作用,发现色散力在相互作用中占主导地位。研究了吸附氨基酸对石墨二炔电子输运的影响,探讨石墨二炔在生物传感方面的潜在应用。     

石墨炔的化学修饰及功能化

石墨炔特殊的电子结构和孔洞结构使其在信息技术、电子、能源、催化以及光电等领域具有潜在、重要的应用前景。近几年石墨炔的基础和应用研究已取得了重要成果,并迅速成为了碳材料研究中的新领域。石墨炔中炔键单元的高活性为其化学修饰与掺杂提供了良好的平台。在这篇综述中,我们将重点介绍石墨炔的非金属杂原子掺杂、金属原子修饰以及表面改性,并深入探讨掺杂与衍生化对石墨炔材料的电子性质的影响及其对光电化学催化性能的协同增强。     

石墨炔在锂/钠离子电池负极中的应用

二维石墨炔优异的物理和化学性质受到了广泛的关注。近几年,与石墨炔相关的理论、合成和应用研究快速发展,并取得显著成果。基于石墨炔独特的制备方式与可控的分子结构,其已经在很多传统的研究领域展现出潜力,也在一些新兴的研究方向上产生重要影响,表明石墨炔的研究正逐渐成为一个非常热门研究领域。而石墨炔在电化学储能方面的研究越来越多,文章概述了石墨炔与电化学储能相关的优异特性,总结了石墨炔的常规制备方法,重点讨论了在低温制备优势下石墨炔家族成员的迅速壮大和相应石墨炔新成员独特结构对电化学储锂和储钠行为的影响。     

Carbon networks based on dehydrobenzoannulenes. 5. Extension of two-dimensional conjugation in graphdiyne nanoarchitectures

[structures: see text] The synthesis and optical properties of a series of multinanometer-sized substructures of the phenyl-diacetylene carbon allotrope, graphdiyne, are described. These molecules are among the largest and most complex annulenic systems yet prepared, with extension of linear conjugation in two-dimensions to over twice that of any previously reported planar macrocycle. The graphdiyne substructures are constructed through convergent syntheses, taking advantage of three key intermediates and silane-protected phenylacetylenes. Intramolecular macrocyclization of alpha,omega-polyyne precursors via Cu-mediated or Pd-catalyzed oxidative homocoupling affords five new graphdiyne "oligomers" possessing two to four fused 18-membered rings. The attempted synthesis of a six-ring analogue is also reported.     

石墨炔-有机共轭分子复合材料的制备及其储锂性能

发展了基于超分子化学的新方法实现了对石墨炔的原位氮掺杂,通过利用石墨炔与有机共轭分子间强的π–π作用,原位制备了石墨炔/卟吩复合材料薄膜,并用作锂离子电池的负极材料,其比容量增加到了1000 mAh∙g⁻¹,该复合材料表现出优良的倍率性能和循环稳定性,为可控制备掺氮石墨炔复合材料提供了新的思路。     

Intercalation-assisted Exfoliation Strategy for Two-dimensional Materials Preparation

Controlled large-quantity synthesis of two-dimensional materials is vital for the research on their physical and chemical characters and potential applications. Utilizing structural features of layered compounds, intercalation of molecules or ions can be applied to the acceleration of liquid-phase exfoliation. In this review, we aim at recent progress on synthesis of two-dimensional materials via intercalation-assisted exfoliation strategy. Works on wet chemical intercalation and electrochemical intercalation, together with product exfoliation afterwards, are summarized. Furthermore, the features and advantages of intercalation-assisted exfoliation strategy for two-dimensional materials synthesis are discussed.     

化学课堂新知识：新型碳材料——石墨炔

Since the first successful chemical synthesis of graphdiyne by the group of Prof. Yuliang Li, this material is attracting much attention and becoming a new research focus and field. As a new carbon allotrope, graphdiyne has a unique three-dimensional pore structure and electronic structure, thus, can be applied in energy storage devices and the fields of catalyst. This article briefly describes theoretical calculation prediction and development of the new material, in particular, its electrochemical property and catalytic property. Introducing this new carbon material into the related teaching of chemistry knowledge of university can expand the academic vision of scientific research and improve the learning interest and scientific research literacy of the undergraduates.     

Stabilization of Cu/Ni Alloy Nanoparticles with Graphdiyne Enabling Efficient CO2 Reduction

Electrocatalysis has become an attractive strategy for the artificial reduction of CO2 to high-value chemicals.However,the design and development of highly selective and stable non-noble metal electrocatalysts that convert CO2 to CO are still a challenge.As a new type of two-dimensional carbon material,graphdiyne(GDY),is rarely used to explore the application in carbon dioxide reduction reaction(CO2RR).Therefore,we tried to use GDY as a substrate to stabilize the copper-nickel alloy nanoparticles(NPs)to synthesize Cu/Ni@GDY.Cu/Ni@GDY requires an overpotential(-0.61 V)to 10 mA/cm2 for the formation of CO,and it shows better activity than Au and Ag,achieving a higher Faraday efficiency of about 95.2％and high stability of about 26 h at an overpotential(-0.70 V).The electronic interaction between GDY substrate and Cu/Ni alloy NPs and the large specific surface area of GDY is responsible for the high performance.     

Synthesis of expanded graphdiyne substructures

Graphdiyne (1) is a member of a novel family of interesting and potentially important allotropes of carbon. Reported herein are the synthesis and spectroscopic characterization of model substructures 2-6. The macrocycles were prepared by the intramolecular cyclization of suitable alpha,omega-polyynes. Key to the success of this approach was the development of an in situ protiodesilylation/alkynylation reaction utilizing reactive phenylbutadiyne synthons. This new method has allowed for the preparation of the largest, most complete substructures of the graphdiyne network to date (3-6).