目前，随着化石能源不断被大量消耗，全球都面临着巨大的能源危机。大量燃烧化石燃料带来了严重的空气污染与温室效应等环境问题。为了解决该问题，全球科学家都在追寻绿色高效可持续的能源转化系统与技术。为了实现能源的高效转化与储存，电催化剂起着不可或缺的重要作用。然而，传统贵金属催化剂不仅面临使用成本高昂的挑战还容易产生催化剂中毒的问题。因此，科学家们一直在努力开发非金属如碳基催化剂材料来替代传统贵金属，而其中石墨炔成为了最具潜力的新型电催化剂材料。石墨炔，是我国具有自主产权的新型碳材料，具有独特的电子结构和形貌特征，在能源、催化、生物医学以及分离等领域都具备重要应用前景。
近日，香港理工大学的黄勃龙教授课题组针对石墨炔电催化剂材料在能源领域的应用进行了综述，从石墨炔本征结构到其在不同能源体系的应用进行了全面的讨论，包括电催化反应、电池系统以及小分子催化反应等，最后作者展望了石墨炔电催化剂未来发展的挑战与方向。研究成果以题为“Graphdiyne based catalysts for energy applications”发布在Materials Frontier Chemistry。
首先，一般常见的碳基材料如无定形碳、碳纤维、富勒烯、碳纳米管和石墨烯等，其特点是具备sp3与sp2杂化。与这些常见碳材料相比，石墨炔具有独特的sp+sp2杂化方式并决定了它的独特分子构型。此外，不同于其他碳材料，石墨炔具有由苯环、C≡C键构成的三角形环状结构，形成了本征均匀分布的孔道结构。因此，石墨炔丰富的碳化学键、高共轭性、均匀分散的孔道构型以及可调控的电子结构都奠定了其在能源领域的巨大潜力。
石墨炔优异的材料优势使其可以实现多样化的调控，包括掺杂，锚定，以及与其他材料进行复合。石墨炔材料可以与MoS2，WS2 等过渡金属硫属化合物进行稳定复合进一步提升产氢催化的性能。由于均匀分布的孔道结构，单个金属原子也可以稳定锚定在石墨炔表面，从而实现高效稳定的石墨炔原子催化剂。此外，石墨炔还能够通过掺杂对电子结构进行进一步的调控，如N，F原子的掺杂都能够有效提升石墨炔电催化活性并在不同溶液环境中均展现出优异的稳定性。
在水分解反应中，石墨炔材料可以与多元氧化物进行复合从而实现优异的电催化性能。例如，NiCo2S4与石墨炔复合后，在酸性和碱性环境下都具备良好的水分解性能，在碱性20 mA cm2的电流密度下仅需要1.56 V的电压来实现超过140小时的稳定水分解。而与常见的OER催化剂NiFeLDH材料进行复合之后，也能够实现HER和OER双功能催化。这是因为石墨炔不仅能够有效转移传输电子与其他材料形成强相互作用，还能够提供很大的比表面积与足够的活性位点来促进电催化反应的进行。
除了电催化反应之外，石墨炔电催化剂在电池系统中的表现同样出色。石墨炔骨架中天然的孔道提供了充足的离子存储位点，可以有效地稳定插入的金属离子。此外，石墨炔3D的孔道结构还提供了有效的传输通道，有利于离子充放电循环中的平滑扩散。因此，石墨炔电催化剂在锂离子电池与钠离子电池等电池系统中均有出色的性能表现。
该综述以不同的化学能源系统为基础，从形貌控制，杂原子取代和复合结构修饰等角度全面探讨了石墨炔电催化剂中结构与性能之间的关系，最后作者对于石墨炔电催化剂未来在电化学能源领域中的发展和研究方向做了展望。
Graphdiyne based catalysts for energy applications
Tong Wu, Mingzi Sun and Bolong Huang
Mater. Chem. Front., 2021, 5, 7369-7383
https://doi.org/10.1039/D1QM00796C
黄勃龙教授2007年毕业于北京大学物理系，同年前往剑桥大学从事材料理论研究，并于2012年获得博士学位。2012-2015年，黄勃龙教授于北京大学跟随严纯华院士并在其指导下开展博士后研究, 后赴香港城市大学和香港理工大学继续博士后的相关研究，并于2015年入职香港理工大学担任助理教授至今。黄勃龙教授的研究方向主要为纳米材料、能源材料、固体功能材料和稀土材料的电子态性质，以及在能源材料纳米表界面、多尺度下的能源转换应用等。目前黄勃龙共发表SCI论文190余篇，H-index为38，文章引用次数超过6100次。此外，黄勃龙教授还担任多本期刊的青年编辑或编委，还10余次受邀在国内国际重要学术会议上做邀请报告，其中包括2019美国材料年会等。同时，黄勃龙教授还担任多个高影响力期刊的特邀审稿人。
