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。     

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.     

石墨双炔的合成方法

石墨炔是一种新型碳的同素异形体,是由sp和sp²两种杂化形式的碳原子组成的二维层状材料。其中,石墨双炔是石墨炔家族中重要的一员,其独特的纳米级孔隙、二维层状共轭骨架结构及半导体性质等特性,使之在电化学、光催化、非线性光学、电子学等诸多领域优势显著,因此,发展石墨双炔的制备方法有着重要的意义。本文将首先介绍石墨双炔的结构,随后主要介绍石墨双炔合成方法的研究进展,包括有机全合成、表面在位化学反应和溶液相聚合反应等几个方面,其中溶液相聚合的方法取得了较为突出的进展。在本文的最后,主要探讨了石墨双炔合成方法中的挑战与机遇,并对合成方法的未来进行了展望。     

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。     

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。     

石墨炔衍生物的合成与应用

石墨炔是由sp和sp²两种杂化碳构成的新型二维碳同素异形体。基于石墨炔化学合成规律和独特优势,利用其他芳炔前体替代六乙炔基苯,可以获得结构特异、尺寸可控的石墨炔基衍生物,而局域碳骨架的改变可以实现石墨炔衍生物性能调控,包括电导率、带隙、迁移率、空腔尺寸和电荷分离等。这类具有优良半导体性能的石墨炔基衍生物可以广泛应用于电化学储能、电催化、光电转换器件、非线性光学等诸多领域。本文主要综述了近年来石墨炔衍生物的优化设计、结构表征和光电性能,并对其代表性应用进行了总结和展望。     

石墨炔零价金属原子催化剂的合成及应用

原子催化剂是零价金属原子锚定于载体上的一种新型催化剂, 具有原子利用率高、 选择性高以及反应活性和稳定性高等优点, 一直是催化领域的研究前沿, 在催化和能量转换领域具有广阔的发展前景. 石墨炔与金属原子之间独特的不完全电荷转移性质实现了零价过渡金属原子的稳定锚定, 解决了传统单原子催化剂易迁移和聚集的问题, 被认为是新一代催化剂. 本综述从石墨炔原子催化剂的结构性质、 表征以及应用等方面出发, 综合评述了相关领域的最新研究成果, 介绍了石墨炔原子催化剂在电催化固氮制氨、 产氢、 全水解和CO₂固定等方面的应用和发展前景, 为实现新概念高性能催化材料的设计合成提供了研究思路.     

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。     

石墨炔原子催化剂的崭新道路:基于自验证机器学习方法的筛选策略

近年来, 原子催化剂(ACs)引起了广泛的研究关注. 目前该领域的长足发展受限于贵金属的使用和单原子催化剂(SACs)的性能有限. 本文总结了利用密度泛函理论(DFT)和机器学习(ML)方法筛选高效的基于石墨炔(GDY)的原子催化剂的工作. 研究表明, Pd, Co, Pt和Hg可以形成稳定的零价过渡金属-石墨炔组合(TM-GDY), 而镧系-过渡金属的双原子催化剂(Ln-TM DAC)组合通过f-d轨道耦合作用可以获得有效的催化性能提升. 进一步分析表明, 主族元素与过渡金属和镧系金属的结合可以通过p轨道耦合保持高电活性, 从而构成高度稳定的GDY-DAC系统, 机器学习算法也揭示了s,p轨道的作用. 此外, 理论算法技术在筛选催化水分解析氢反应(HER)的高效组合上也表现出了优越性, 创新性地预测了石墨炔-原子催化剂在实际催化反应中的潜能. 本综合评述可为未来设计新型原子催化剂提供新的思路与策略.     

钴钒水滑石纳米片用于电催化尿素氧化

电解水是一种常用的制氢方法,但高能耗的阳极析氧反应(OER)阻碍了其应用。尿素氧化反应(UOR)具有较低的热力学电势,是最有前景的OER替代反应之一。过渡金属基水滑石具有独特的层状结构和层间阴离子可交换等优点,被认为是性能优异的UOR催化剂,然而目前大多数研究主要聚焦于后过渡金属元素。该研究通过一步法制备了具有前/后过渡金属的CoV-LDHs纳米片。与相同方法制备的Co(OH)₂相比,CoV-LDHs纳米片具有以下优点：1)纳米片结构有利于暴露更多的活性位点。2) V的引入增强了CoV-LDHs的亲水性,提高了其本征电催化动力学。3) Co (3d⁷4s²)和V (3d³4s²)之间的d-电子补偿效应有利于促进尿素的吸附。因此,CoV-LDHs仅需要1.52 V (vs. RHE) 就可以达到10 mA∙cm⁻²的电流密度,比Co(OH)₂低了70 mV,同时CoV-LDHs较低的塔菲尔斜率表明了其较快的反应动力学。此外,CoV-LDHs在连续反应10 h后,驱动电位几乎没有增加,表明其具有良好的稳定性。该研究结果不仅证明了前/后过渡金属之间的d-电子补偿效应可以提高UOR催化性能,还为设计高效的UOR催化剂提供了可行的途径。     

石墨炔类结构储锂性能的第一性原理研究

基于密度泛函理论的第一性原理的计算方法, 研究了石墨炔类结构的储锂性能, 结果表明, 石墨炔类体系是一种理想的储锂材料, 锂原子通过向衬底转移电荷而带正电, 彼此之间的库仑排斥作用避免了锂原子的团簇化. 通过比较石墨一炔到石墨五炔的储锂性能, 发现并不是炔键越多其储锂性能就越好, 还需考虑炔键的增多对结构稳定性的影响. 在保证石墨炔类结构稳定的前提下, 石墨二炔和石墨五炔达到LiC₃的最大储锂量.     

盐封后碳化钼电催化剂的制备及其氢析出性能

Molybdenum carbide is regarded as an excellent substitute for Pt-based catalysts in the hydrogen evolution reaction (HER), owing to its low cost, superior catalytic performance, and long-term stability. In this work, salt-sealed molybdenum carbide was prepared using sodium molybdate and 2, 6-diaminopyridine as the reactive raw materials, followed by continuous salt sealing and calcination of the precursor under an inert atmosphere. The morphology, composition and structure of salt-sealed molybdenum carbide were determined by scanning electron microscopy, transmission electron microscopy (TEM), energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDS), X-ray diffraction (XRD), and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). The results indicate that salt-sealed molybdenum carbide has irregular morphology and includes nanoparticles and nanorods. A comparison of the TEM images of Mo₂C with salt sealing (Mo₂C/SS) and Mo₂C without salt sealing (Mo₂C) indicates that Mo₂C/SS exhibits a smaller particle size. This suggests that salt sealing can efficiently avoid particle aggregation. The Brunauer-Emmett- Teller (BET) specific surface area of the catalysts was obtained from nitrogen adsorption/desorption isotherms. The increase in BET surface area from 2.55 to 8.14 m²·g⁻¹ after salt sealing provides evidence for the formation of pores in the product. The results of XRD, EDS and XPS analyses show that Mo₂C/SS has an orthorhombic crystal structure with molybdenum oxides on the surface, which may originate from surface oxidation. Considering the results of XPS and the turnover frequency (TOF) calculation, we can conclude that the formation of pores via salt sealing contributes to the exposure of more active sites, while simultaneously enlarging the contact area with oxygen. Therefore, higher molybdenum oxide content is generated on the surface, resulting in a lower proportion of active centers (molybdenum carbides) on the catalyst surface. Furthermore, the pseudocapacitance generated by the faradaic reaction of molybdenum oxides is superimposed on the double-layer capacitance of Mo₂C catalysts, which increases the double layer capacitance. Since the effect of pseudo-capacitance on Mo₂C/SS is more significant, the TOF number declines after salt sealing. Compared with Mo₂C, Mo₂C/SS exhibits three features that promote HER mass activity: (1) the generation of large quantities of pores via salt sealing leads to an increase in the BET surface area and exposure of more active sites, which is beneficial for improving HER performance; (2) the porous structure and enlarged surface area pave the way for effective mass and charge transfer; (3) the decrease of the Tafel slope from 145 to 88 mV·dec⁻¹. In summary, salt-sealed Mo₂C exhibited enhanced HER activity with an overpotential of 175 mV to achieve a current density of 10 mA·cm⁻². The Tafel slope for HER on salt-sealed Mo₂C is 88 mV·dec⁻¹. This can be considered as the proof of the Volmer-Heyrovsky mechanism with electrochemical desorption as the rate-determining step.     

微波热冲快速制备二维多孔La0.2Sr0.8CoO3钙钛矿用于高效电催化析氧反应

析氧反应(OER)被认为是电解水的关键限制步骤,已被广泛作为清洁能源方式用于解决能源和环境问题。钙钛矿氧化物(ABO₃)具有可调的电子结构、高灵活性的元素组成,能在OER中表现出良好的催化活性。然而,钙钛矿氧化物的合成通常需要经历长时间的高温,极易导致金属的聚集和影响材料的本征活性。气相微波技术可以显著缩短热处理时间,从而减少相关的碳排放。这项技术不仅解决了对碳中性过程日益增长的需求,而且还增加了对合成的控制,以避免产品的不良团聚。本文采用微波热冲法快速制备了二维(2D)多孔La_0.2Sr_0.8CoO₃钙钛矿。伴随微波过程的快速熵增可以有效地暴露La_0.2Sr_0.8CoO₃结构中丰富的活性位点。此外,高能微波冲击过程可以精准地将Sr²⁺引入到LaCoO₃的晶格中,通过增加Co的氧化态来增加氧空位量。这种锶元素取代镧引入的氧空位能极大提高催化剂的本征催化活性。对于碱性电解液中的OER应用,制备的La_0.2Sr_0.8CoO₃在10 mA∙cm⁻²下展现出了360 mV的过电位,Tafel斜率为76.6 mV∙dec⁻¹。且在经历30000秒的长时间循环测试后仍能维持初始电流密度的97%。这项研究为高活性二维钙钛矿的合成提供了一种简便、快速的策略。     

Hydrozirconierung von nitrilen: Die bildung ein- und zweikerniger (alkylidenamido)zirconocen-komplexe

Cp₂Zr(-N=CHR)Cl compounds (9a–9c: R = CH₃, C₆H₅, CH₂Ph,respectively) are formed upon hydrozirconation of nitriles. Subsequent reaction with an aryllithium reagent yields Cp₂Zr(-N=CHR)Ar (14). The (alkylidene amido)zirconocene complexes are characterized by a linear heteroallene-type structure possessing an sp-hybridized nitrogen atom. 9 reacts with the oligomeric metallocene dihydrides (Cp₂ZrH₂)_x (15) and (Cp₂HfH₂)_c, (17), respectively, to form the binuclear compounds Cp₂Zr(μ-N=CHR)(μ-Cl)MC_p2 (16, M = Zr) and (18, M = Hf). The formation of these thermally very stable metal complexes is discussed.     

Molten Salts Strategy for the Synthesis of CoP Nanoparticles Entrapped,N,P co-Doped Mesoporous Carbons as Electrocatalysts for Hydrogen Evolution

Amolten salt process was developed to prepare CoP nanoparticles(NPs) embedded, N,P co-doped carbons with the combination of hand milling and high temperature carbonization. The characterization results implied that the as-prepared samples possessed mesoporous structures. Moreover, the mass ratios of the precursors affected the crystalline structures and the porosities of the final electrocatalysts. The as-prepared catalysts exhibited excellent electrocatalytic performances towards hydrogen evolution reaction(HER) under acidic and alkaline conditions. The as-prepared samples were designed as GxMyCoz, where x, y and z meant the amounts of glucose, melamine and CoCl₂, respectively. The optimum sample of G6.0M2.0Co5.0 showed the best HER property with a low onset overpotential and a small Tafel slope, as well as excellent electrocatalytic stability.     

NiMo(O)物相结构与电解水析氢反应活性的关联（英文）

在电催化析氢反应中,Ni Mo(O)催化剂在高电流密度下通常表现为极低的过电位。然而,该优异电催化性能的真正起源尚不明确。一个新的角度,即研究钼镍催化剂结构/性能演变的规律,能够帮助深入理解镍钼催化剂具有高活性的本质原因。基于此,本文详细阐述了含有结晶水的钼酸镍的脱水和氧化过程,在随后的还原处理中,该演变过程也被证实对于衍生不同的催化剂相结构具有重要作用。文中通过热重-差热分析以及程序升温氢气还原的方法探究电催化剂的特征相结构演变过程。同时,借助X射线衍射仪、拉曼光谱和高分辨透射电子显微镜分析确认催化剂物相。原位电化学X射线衍射分析提供了电催化剂在反应过程中的晶相结构。本文合成了具有不同主体相结构的钼镍催化剂：MoNi₄,β-NiMoO₄和α-NiMoO₄,它们的析氢反应活性具有显著差异。其中,β-NiMoO₄作为主体相结构的NiMoO₄-400air-H₂催化剂在碱性水还原反应中显现出最差的析氢性能;与之相比,α-NiMoO₄作为主...