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。     

石墨炔纳米材料的制备及在电化学能源中的应用

石墨炔纳米材料的制备与应用是石墨炔材料研究的重要方向, 通过对其纳米结构进行设计与优化, 可以提高石墨炔材料及其杂化结构的性能, 拓展其在能源储存与转换领域的应用. 本综述介绍了不同形貌和结构的石墨炔基纳米材料, 如纳米墙、 纳米片、 纳米薄膜等结构. 阐述了不同结构特征的石墨炔基纳米材料在电化学储能器件以及电化学能源催化中的应用, 同时也探讨了石墨炔不同纳米形貌和结构在能源应用领域快速发展的机遇及所面临的挑战.     

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。     

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.     

石墨炔在电化学储能器件中的应用

当今社会,电化学储能器件在人类的社会活动中变得越来越重要。电极材料作为电化学储能器件的核心部分,一直是人们研究的焦点。石墨炔是一种新型的二维平面结构的全碳材料,它宽的层间距、大的比表面积、独特的三维孔隙结构和好的导电性使其在能源存储器件电极材料应用中具有巨大的潜力。基于石墨炔温和的制备方法与独特的结构特征,本文详细介绍了近年来石墨炔在储能方面的理论分析和实验进展。通过研究锂/钠在单层、多层石墨炔上的迁移率和存储,理论分析石墨炔基电池具有很好的储锂储钠性能。实验方面,石墨炔作为电极材料在储钠储锂方面的容量与理论值相近。此外石墨炔作为电极材料成功应用于超级电容器和金属-硫电池,并表现出了优异的容量存储性能。石墨炔纳米形貌的调控、石墨炔的热处理,以及异原子的掺杂等均可以有效地提高石墨炔在这些储能器件中的性能。     

先进功能分子体系的设计与组装——从低维到多维

在设计、合成功能分子基元的基础上,综合考虑能量、结构和性质匹配的原则及小尺度下复杂的物理化学现象等关键科学问题,建立了自组装新方法,发展了尺寸与结构可控的分子聚集态结构材料定向、定维自组装技术,构建了大面积、高有序分子聚集态结构材料.并研究了有序异质和同质结构以及表界面问题,特别是界面活性、界面连接等关键科学问题.证明了分子聚集态材料中的性质和性能与形貌、尺寸和维数的强烈依赖关系.从合成化学新的视角出发,建立了合成碳的新同素异形体——石墨炔的新方法,并研究了石墨炔在信息技术、电子、能源、催化以及光电等领域的应用.这些研究对化学、材料科学、物理学、微电子学等基础科学研究以及基于这些学科的交叉研究具有重大的科学意义.     

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。     

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.     

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。     

烯碳材料在人工肌肉领域的应用进展

随着仿生机器人、智能控制及人工智能等领域的发展,传统的机械驱动方式已无法满足相关领域对致动系统提出的柔性、高效及多源刺激响应性等要求,因此需发展新型的人工肌肉材料。以碳纳米管和石墨烯为代表的烯碳材料具有轻质、高强、高电导率和柔性等特征,在人工肌肉领域展现出了巨大的应用潜力。以烯碳材料为基元构筑宏观组装体材料,或以烯碳材料为添加相制备纳米复合材料,可在微观和宏观架起桥梁,实现烯碳材料在人工肌肉领域的应用。本文基于上述两种应用形式,综述了烯碳材料在人工肌肉领域的应用进展。首先从一维纤维和二维薄膜的烯碳人工肌肉宏观表现形态出发,介绍了既作为结构材料,又提供了响应、驱动功能的烯碳材料在人工肌肉中的应用。接着从机电性能、可编程的响应形变以及传感功能三个方向,介绍了烯碳材料作为增强赋能相在人工肌肉材料中的功能性应用。最后阐述了基于烯碳材料人工肌肉的机遇与挑战。     

烯碳纤维基能源器件的研究进展

纤维状能源器件的研究极大地推动了可穿戴电子设备的快速发展。烯碳纤维主要包括碳纳米管纤维和石墨烯纤维,其微观组成单元具有独特的碳碳共轭分子形态,宏观结构具有高度可调控性,表现出高的比强度、优良的导电性和导热性、以及良好的机械柔韧性等,被广泛应用于先进能源器件的研究和开发,有效促进了柔性可穿戴电子器件的发展。本文综述了烯碳纤维基能源器件包括能量转换和储能器件等的研究和应用进展,具体介绍了烯碳纤维基太阳能电池、湿气发电机、热电发电机、超级电容器以及电化学电池等的最新成果,重点讨论了烯碳纤维基能源器件的制备方法和可穿戴应用,分析了烯碳纤维基储能及能量转换器件面临的问题和挑战,期望能够为未来高性能纤维基可穿戴能源器件的发展提供有价值的研究思路。     

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。     

功能化石墨烯材料：定义、分类及制备策略

自2004年被成功制备后,石墨烯因其独特迷人的性质在近十几年来备受关注,同时也引发了二维纳米材料的研究热潮。单原子层厚度的二维结构赋予石墨烯非同寻常的光学、电子学、磁学及力学等性质,使得石墨烯在生物学、医学、化学、物理学和环境科学等多个领域展现出极大的应用潜力。制得注意的是,石墨烯在应用时通常需要进行功能化,调节其组成、大小、形状和结构等,以便于加工处理或满足不同的应用需求。石墨烯功能化方法多样,功能化产物也是种类繁多。然而,到目前为止,石墨烯功能化产物并没有系统全面的分类和精确的定义。因此,本文在系统总结现有石墨烯功能化研究的基础上,给出了石墨烯功能化产物的系统分类、各类的精确定义和相应的制备策略,并通过典型示例进行了详细地阐述。石墨烯功能化的产物统称为“功能化石墨烯材料”,分为两类：“功能化石墨烯”和“功能化石墨烯复合材料”。功能化石墨烯材料的制备可由“自上而下”和“自下而上”两种策略实现。制备策略的选择取决于应用需求。系统分类、精确命名和制备策略的归纳必将有助于功能化石墨烯材料的进一步发展。     

基于MXenes的功能纤维的制备及其在智能可穿戴领域的应用

在电子信息和物联网技术的推动下,人类对可穿戴电子器件和智能织物的需求愈发突出,功能纤维作为智能可穿戴设备的重要载体,近年来获得快速发展。功能纤维的性能很大程度上取决于纤维的基础构筑单元。过渡金属碳/氮化物(MXenes)作为一种新兴的二维材料,凭借其高电导率、优异的可加工性能、可调节的表面特性以及出色的机械强度等优点,受到了极大的关注,也逐渐成为构筑功能纤维的重要单元。本文将主要综述MXenes的湿化学、熔融盐、无氟试剂刻蚀等方法和力学、电学、光学和化学稳定性等性能,阐述基于该材料制备的功能纤维在传感、储能以及其他智能领域的应用,最后讨论了基于MXenes材料的功能纤维的未来应用前景和技术挑战。     

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。     

层间共价增强石墨烯材料的构筑、性能与应用

大批量石墨烯可控制备技术的逐渐成熟为实现其宏观组装和应用提供了基础。在众多的组装策略中,调节石墨烯层间的界面相互作用可以直接影响组装体的力学、电学、热学以及渗透等性质,具有重要的意义。石墨烯片层间以共价键连接的层间共价石墨烯材料以其可调的层间距、较强的层间作用力、丰富的功能化、以及可能的原子构型重排等特性,受到了广泛的关注和深入的研究。相比于其他非共价的键合手段,共价连接是一种更为牢固的枢纽。本文中我们将总结讨论层间共价石墨烯材料的构筑方法、性能以及应用。在构筑方法中,依据石墨烯本身的制备方法分为氧化还原法以及化学气相沉积法,而在氧化还原法中,以其宏观材料的形貌分为纸状和纤维状来讨论。接着,我们重点介绍了层间共价对其力学和电学性能的影响,并概述了此类宏观组装体材料的应用。层间共价石墨烯材料继承了石墨烯自身优异的特性,同时也具有宏观组装所赋予的性能,有望在多个领域得到广泛的应用。     

柔性锌-空气电池进展与展望

近年来,人们越来越关注柔性可穿戴电子设备。柔性锌-空气电池由于有较高的理论能量密度以及对像人体一样不均匀表面的适应能力,有望成为下一代电子产品的电源。在柔性锌-空气电池研究领域,人们已经取得了较好的研究进展,各种柔性锌-空气电池的制备方法已被报道。本文阐述了近年来柔性锌-空气电池的主要成就以及面临的困难,特别是关注凝胶电解质、金属阳极以及柔性空气阴极对柔性锌-空气电池电化学性能的影响,最后讨论了柔性锌-空气电池面临的主要挑战与发展前景。     

石墨烯基纤维储能器件的研究进展与展望

随着小型化、可穿戴等特征的智能电子以及物联网传感设备的发展,新型纤维状柔性化、小型化电化学储能器件已成为重要的研究方向。同时,对纤维材料和柔性储能器件的性能提出了更高的要求,如可任意弯折、可拉伸、可折叠、高储能密度等。石墨烯纤维具有独特的结构、优异的导电性、良好机械性能和电化学性质,已证明了是一种极具前景、高性能的新型纤维状柔性储能材料。目前,研究者已开发了多种石墨烯基纤维微观结构的调控策略来进一步改进其性能。本文首先系统总结了石墨烯基纤维的制备方法和其性能提升的策略,然后详细讨论其在柔性化纤维状超级电容器、金属离子电池、热电发电机、太阳能电池和相变材料等储能领域中的最新应用进展。最后,对石墨烯基纤维在能源存储和转换领域中存在的挑战和机会进行了展望。