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石墨炔：开启电分析化学新时代的新型碳材料

一、引言

1.1研究背景与意义

随着全球经济的快速发展和人口的持续增长，传统化石能源资源逐渐枯竭，与此同时，其开采和利用对环境造成了严重的污染和破坏，如空气污染、水源污染以及大量温室气体排放导致的全球气候变暖等问题。能源与环境问题已成为当今社会可持续发展面临的两大难题，开发新能源、发展低碳经济迫在眉睫。新能源具有清洁、可再生等特点，如太阳能、风能、地热能、生物质能等，其开发和利用有助于减少对化石能源的依赖，降低温室气体排放，保护环境，还能促进经济增长和创造就业机会，是解决能源危机和环境问题的关键途径。

在新能源的开发和利用过程中，电化学能量储存与转换技术至关重要。以锂离子电池为代表的电化学储能设备广泛应用于手机、笔记本电脑、电动汽车等领域，使人们的生活更加经济、高效和环保。然而，在锂电池实际应用中，界面问题制约了其性能提升，也成为下一代电极材料发展的普遍障碍。此外，能源转换也是实现能源高效利用和减少污染物排放的必要手段，如氧还原反应（ORR）是下一代高能量密度电化学能源技术的基本反应，其反应效率影响着能源转化效率。因此，寻找高性能的材料以解决电化学能量储存与转换中的问题，对于推动新能源的发展具有重要意义。

石墨炔（Graphdiyne，简称GDY）作为一种新型全碳纳米结构材料，自2010年被首次合成以来，因其独特的结构和优异的性能，在多个领域展现出巨大的应用潜力，成为材料科学领域的研究热点。石墨炔是由1，3-二炔键将苯环共轭连接形成的二维平面网络结构的全碳分子，具有丰富的碳化学键、大的共轭体系、宽面间距以及优良的化学稳定性和半导体性能。其特殊的电子结构及类似硅优异的半导体性能，使其有望在电子、半导体以及新能源等领域发挥重要作用。

在电化学能量储存与转换领域，石墨炔具有诸多独特优势。在储能方面，研究表明石墨炔是一种非常理想的储锂材料，其储锂理论容量达744mAh?g?1，多层石墨炔理论容量可达1117mAh?g?1（1589mAh?cm?3）。其独特的结构更有利于锂离子在面内和面外的扩散和传输，赋予其良好的倍率性能。通过对石墨炔的改性，应用于电池界面可以有效地抑制锂枝晶，提高锂金属负极的寿命和安全性。这是因为石墨炔具有高度的亲锂性，其孔洞可以无障碍地透过锂离子，却能将溶剂分子阻隔在外，通过脱溶剂过程提升了锂的动力学性能。此外，石墨炔薄膜对质子也具有高电导率和高选择性，加之近乎完美的机械性能和化学稳定性，展现了其在燃料电池领域的良好应用前景。在能量转换方面，修饰后的石墨炔可用于提高ORR催化反应中催化剂的活性，根本原因是二维石墨炔中原有的氮原子掺杂，可以促进活性位点上的氧气吸附和后续的电子转移。基于石墨炔的负载单原子催化剂在ORR反应中也被认为是有效的。在氮还原反应（NRR）中，锚定了钼原子的石墨炔也能发挥作用。

综上所述，研究石墨炔的电分析化学，深入了解其在电化学能量储存与转换中的作用机制和性能表现，对于解决当前新能源发展中的关键问题，推动新能源技术的进步，实现可持续发展目标具有重要的理论和实际意义。通过对石墨炔的研究，可以为开发高性能的电化学储能器件和能量转换装置提供新的材料选择和设计思路，有望提高能源利用效率，减少环境污染，促进新能源产业的发展，为应对全球能源危机和环境挑战做出贡献。

1.2石墨炔概述

1.2.1结构特点

石墨炔是一种新型的二维碳材料，它由sp和sp2碳连接而成，形成了独特的三角孔状结构。这种结构使其具有诸多优异的特性，在材料科学领域展现出巨大的潜力。

从原子层面来看，石墨炔的基本结构单元是由1,3-二炔键将苯环共轭连接，构建成二维平面网络。在这个网络中，苯环通过炔键相互连接，形成了高度共轭的体系。这种共轭结构不仅赋予了石墨炔良好的电子离域能力，使其具备独特的电学性能，还增强了分子的稳定性。由于共轭体系的存在，电子可以在整个平面内较为自由地移动，这为石墨炔在电子学领域的应用奠定了基础，例如在半导体器件中，良好的电子传输性能是实现高效工作的关键。

石墨炔的大共轭体系是其结构的一大亮点。在化学中，共轭体系是指分子中多个不饱和键（如双键、三键）通过单键相互连接，形成的一种电子离域的体系。在石墨炔中，苯环的π电子与炔键的π电子相互作用，形成了一个庞大的共轭体系。这种大共轭体系使得石墨炔具有独特的光学和电学性质。在光学方面，它能够吸收和发射特定波长的光，这使得石墨炔在光电器件（如发光二极管、光电探测器）中具有潜在的应用价值。从电学角度而言，大共轭体系促进了电子的离域化，降低了电子传输的阻力，提高了材料的电导率。

均匀的孔隙结构也是石墨炔的重要结构特征。其孔隙大小均匀，孔径通常在一定范围内。这种均匀的孔隙结