趙金良，黃成德

(天津大學 化工學院，天津 300350)

0 引 言

碳材料作為一種常見材料，被廣泛的應(yīng)用于人類社會的各個方面。研究發(fā)現(xiàn)，不同結(jié)構(gòu)的碳材料表現(xiàn)出的性質(zhì)有很大差異。目前常見的碳材料有石墨、金剛石、石墨烯、碳納米管、石墨炔等[1-3]。石墨炔是由苯環(huán)通過炔鍵共軛連接而成的全碳分子，具有多孔的二維結(jié)構(gòu)，其本身特有的孔結(jié)構(gòu)形成較好的離子擴散通道，共軛單元也有利于電子的傳輸。作為一種新型的碳結(jié)構(gòu)，石墨炔優(yōu)良的物理化學性能使其在電化學儲能領(lǐng)域具有極高的研究價值和應(yīng)用前景，也有利于推動材料科學的發(fā)展和進步。

首次提出石墨炔概念的是美國工程院院士、德克薩斯大學達拉斯分校的Baughman教授[1]，他認為可以設(shè)計制造出具有炔鍵的碳材料，并命名為石墨炔。2010年，中國科學院院士李玉良[2]在銅箔表面，以六乙炔基苯為前驅(qū)體，通過交叉偶聯(lián)反應(yīng)首次合成了石墨炔，使其從理論變?yōu)楝F(xiàn)實。自從石墨炔問世以來，便得到了科研人員廣泛的關(guān)注，對石墨炔的理論和實驗研究也日漸增多[4-5]。理論和計算表明，石墨炔對于鋰、鈉、氫等都有良好的儲存能力；其本身的活性位點也較多，對于氧還原、析氫和吸氧等反應(yīng)也有較好的催化性能。目前，石墨炔在鋰離子電池[6-7]、氫-氧燃料電池催化劑[8]、鈉離子電池[9]多價離子電池[10]、超級電容器[11]以及太陽能電池和其他電化學儲能器件[12]中的應(yīng)用被廣泛研究。石墨炔可以通過調(diào)控其合成條件、原子摻雜或修飾等方法，制備不同形貌的石墨炔及其衍生物[13-14]，如薄膜[15]、納米片[16]、納米線[17]、粉末[11]等，這也有助于提升石墨炔基材料的性能，拓展其應(yīng)用。

石墨炔具有極其出色的性能，可低溫制備和平面孔尺寸可調(diào)的特性使其在電化學能源儲存與轉(zhuǎn)換等方面具有較好的應(yīng)用前景，但是目前對于大規(guī)模合成高質(zhì)量的石墨炔仍是一個挑戰(zhàn)，對于其精細結(jié)構(gòu)的設(shè)計與合成、實際應(yīng)用的深入研究仍有廣闊地探究空間。

1 結(jié)構(gòu)與性質(zhì)

石墨炔由苯環(huán)和炔鍵兩個基本結(jié)構(gòu)單元構(gòu)成，苯環(huán)之間通過炔鍵相互連接，含有π鍵共軛單元和sp2和sp雜化的碳原子，最終形成一個二維的含有均勻孔隙的碳結(jié)構(gòu)。其孔結(jié)構(gòu)的大小可以通過苯環(huán)之間的炔鍵的數(shù)量來調(diào)節(jié)[18]。石墨炔主要分為兩種[19-20]：兩個相鄰的苯環(huán)之間由一個炔鍵連接的，稱為石墨單炔(graphyne)，graphyne大致可分為4種：α-graphyne,β-graphyne,γ-graphyne和6,6,12-graphyne等；苯環(huán)之間由兩個炔鍵相連接的，叫做石墨二炔(graphdiyne，簡稱GDY)。二者結(jié)構(gòu)如圖1所示[21]。石墨二炔的電導率約為2.52×10-4S/m，具有優(yōu)異的導電性和良好的場發(fā)射性能，存在狄拉克錐[22-26]。單層石墨二炔的最大帶隙約為0.44～1.47 eV，在室溫下的電子遷移率為105cm2/(V·s)，空穴遷移率比電子遷移率低一個數(shù)量級，說明石墨二炔是一種窄帶隙半導體材料[4, 27-28]。此外還可以通過增加苯環(huán)之間炔鍵的數(shù)量來形成不同結(jié)構(gòu)的碳的同素異形體，例如石墨三炔(graphtriyne)等[29-30]。

圖1 石墨炔和石墨二炔的幾何結(jié)構(gòu)[21]

2 石墨炔及其衍生物的合成策略

石墨炔單體具有較強的化學可剪性，通過改變芳香單元的結(jié)構(gòu)和乙炔基團的數(shù)目，可以合成一些新型的石墨炔衍生物[31-34]。石墨炔的合成方式主要分為干法和濕法兩大類，其衍生物主要由原子修飾和原子摻雜制備，不同的產(chǎn)物又通過不同的具體操作來合成。

表面共價合成可以穩(wěn)定精確地合成新型二維納米結(jié)構(gòu)[35]。但是在制備石墨二炔中，仍存在一些副反應(yīng)。目前，化學氣相沉積法(CVD)是制備較高質(zhì)量薄膜的方法之一[5, 36]。Liu等[15]以六乙炔基苯(HEB)為前驅(qū)體，通過CVD方法在銀箔上成功制備了單層石墨二炔膜。2010年，由李玉良教授[2, 37]的團隊首次合成了大規(guī)模的石墨二炔。在存在吡啶的情況下，使用六乙炔基苯在銅箔表面上進行交叉偶聯(lián)反應(yīng)，使其在銅的表面發(fā)生化學反應(yīng)，從而大規(guī)模合成了石墨二炔，且所獲得的石墨二炔具有較高的結(jié)晶度。Shang等[16]以銅納米線為催化劑和襯底，合成了超薄石墨二炔，具有良好的導電性和穩(wěn)定性。Gao等[38]利用范德華外延法，以石墨烯為基底，制備出了超薄單晶石墨二炔膜，該膜具有ABC堆疊模式，厚度為三層，是制備超薄石墨二炔的一項突破性工作。Zuo等[17]通過爆炸方法，在120 ℃的空氣中，沒有任何金屬催化劑的情況下，有效制備了石墨二炔，最大表面積可達1150 m2/g。在這個過程中，避免同時使用銅和有機溶劑，使得制備的石墨二炔具有較高的純度。Ding等[11]在氬氣環(huán)境中通過超聲促進方法合成了γ-graphyne。他們選用CaC2和PhBr6作為反應(yīng)物，較大的超聲頻率提供了較大的能量，有效促進了化學合成。除了制備石墨炔原材料，研究人員也探討了被原子摻雜或修飾后的石墨炔衍生物的制備策略。Ding等運用球磨法[39]制備了N-graphyne。球磨可以引發(fā)結(jié)構(gòu)變化和化學反應(yīng)，合成的氮摻雜石墨炔性價比高，重現(xiàn)性好。Yin等[40]將GDY在K2PtCl4中反應(yīng)8 h，再在473 K，氬氣環(huán)境中退火1 h制備了Pt-GDY(圖2(a))。該材料對析氫反應(yīng)具有良好的催化活性。Zhang等[41]通過將石墨二炔在氨氣氣氛中高溫反應(yīng)制備摻雜氮原子的石墨二炔；Yu等[42]使用Pd原子修飾石墨二炔，Pd與C之間具有強耦合作用，尤其是C2位是最活躍的位置，表現(xiàn)出較強的吸附H原子的能量偏好，對H原子的吸附具有促進作用(圖2(b),(c))，通過EIS測試，其溶液電阻(Rs)和電荷轉(zhuǎn)移電阻(Rct)也較小(圖2(d))。不同的合成方式，所獲得的石墨炔的結(jié)構(gòu)也有所差別，通過控制合成條件，有利于獲得較高質(zhì)量、較好性能的石墨炔結(jié)構(gòu)[43-45]。表1總結(jié)了石墨炔及其衍生物的合成方式及產(chǎn)物。

表1 石墨炔及其衍生物的合成與產(chǎn)物

圖2 (a) Pt-GDY的合成圖[40];(b) 4個不同的碳原子位置(C1-C4);c) H和2H在Pd原子附近4個不同碳原子(C1-C4)位置的吸附能;d) 電化學阻抗譜[42]

盡管目前可以制備多種形態(tài)的石墨炔，如粉末、鏈狀和薄膜等，也有具體方法控制原子的精確摻雜，合成高質(zhì)量產(chǎn)物。但目前石墨炔及其衍生物的制備研究仍處在初級階段，一些方法也都或多或少有其局限性，例如以金屬為基底在精確合成納米結(jié)構(gòu)的同時，金屬與炔鍵之間的強相互作用也會不可避免的有副反應(yīng)發(fā)生；一些濕法合成的石墨炔產(chǎn)品結(jié)晶度較高，有希望合成理想化的結(jié)構(gòu)，但是對于基材的選擇也有局限性，導致其結(jié)構(gòu)規(guī)整性較差。隨著研究的深入進行，其合成方式也會繼續(xù)發(fā)展，如氣相合成、液相合成、固相合成等等，其制備方式和產(chǎn)物的質(zhì)量也將會進一步完善和強化。

3 在電化學儲能器件中的應(yīng)用

石墨炔具有獨特的結(jié)構(gòu)和物理化學性質(zhì)[46-47]，有較強的化學適應(yīng)性，通過對其進行原子摻雜或表面修飾，優(yōu)化其電化學性能[48-50]，有希望應(yīng)用在多種電化學器件上[51]，例如鋰離子電池、氫-氧燃料電池、鈉離子電池、多價離子電池、超級電容器等。

3.1 鋰離子電池

目前市面上應(yīng)用最廣泛的新能源電池便是鋰離子電池，而限制鋰離子電池能量密度的一大因素便是陽極容量。石墨炔作為一種新型碳材料，較高的儲鋰量顯示其可作為鋰離子電池陽極的有力競爭者[6-7]。

較好的鋰離子陽極需要高遷移率和高儲鋰量，Shang等[16]將銅納米線作為GDY的生長基底和催化劑，為GDY的合成提供了更多的反應(yīng)位點，制備了高質(zhì)量的超薄納米片，將其作為鋰離子電池陽極進行電化學測試，活化后，在0.1 A/g的電流密度下，容量可以達到1 388 mAh/g。在5，10和20 A/g的電流密度下，可逆容量分別為824，596和449.8 Ah/g，在5 A/g的條件下，經(jīng)500次充放電，仍有較高的容量保持率。Zhang等[41]通過氮原子摻雜石墨二炔(N-GDY)，制備N-GDY，使其作為鋰離子電池的陽極，并與GDY進行對比，發(fā)現(xiàn)電池的初始庫倫效率從GDY的48.7%提高到了N-GDY的64.2%；在2 A/g的電流密度下，循環(huán)1 000次(圖3(b))，N-GDY的可逆容量(510 mAh/g)比GDY(418 mAh/g)多了約20%。經(jīng)過氮原子摻雜后，產(chǎn)生了更多的雜原子缺陷和電化學活性中心，有效的抑制了電解質(zhì)的分解和副反應(yīng)的發(fā)生，提高了電極的電化學穩(wěn)定性，增強了儲鋰能力(圖3(c))，具有良好的比容量和較好的循環(huán)壽命，N-GDY是比較有競爭力的鋰離子電池陽極的備選材料。Yang等[43]通過一種自下而上的方法制備了三嗪-石墨二炔(TA-GDY)，可以精確控制苯環(huán)上的N數(shù)量，并且作為鋰離子負極展現(xiàn)了較好的循環(huán)性能和倍率性能(圖3(a))。Wu等[52]研究一種新型的石墨炔同素異形體，命名為C68-graphyne，經(jīng)計算得出，鋰離子到該石墨炔的電荷轉(zhuǎn)移效率高而鋰離子本身的擴散能壘低，充放電速率快；Li在單、雙層的C68-graphyne的儲存容量分別為1 954和1 675 mAh/g，是一種有前途的鋰離子陽極材料。Yang等[53]用N取代石墨炔(GY)上的碳原子，通過實驗和計算發(fā)現(xiàn)，隨著GY中N含量的增加，GY的電荷濃度和電導率提高，儲鋰能力增強，且有良好的循環(huán)穩(wěn)定性，在高電流密度下，循環(huán)5300周后仍有93%的容量保持率，表明GY基材料在鋰離子電池陽極方面具有較好的應(yīng)用前景。

圖3 (a)TA-GDY制備過程、產(chǎn)物結(jié)構(gòu)及照片[43]; (b)N-GDY和GDY的循環(huán)與倍率性能; (c)氮摻雜石墨炔提高儲鋰的圖示[41]

綜上可得，石墨炔及其衍生物在儲鋰性能方面可以達到較高的理論容量，且實驗也證明，通過改性后的石墨炔基類材料，作為鋰離子電池陽極，可以保持較好的倍率性能和循環(huán)穩(wěn)定性。

3.2 氫-氧燃料電池

石墨炔本身具有特殊的物理結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，通過對其結(jié)構(gòu)的改造優(yōu)化，發(fā)現(xiàn)其對于析氫反應(yīng)(HER)、析氧反應(yīng)(OER)、氧還原反應(yīng)(ORR)都具有較好的催化性質(zhì)，尤其是對氧還原反應(yīng)的催化，使其有潛力用做氫-氧燃料電池的催化劑。Zhang等[8]通過計算將過渡金屬吸附于吡嗪改性的石墨炔(pyGY)中，吡啶氮原子可以和過渡金屬(TM)原子可以形成高化學穩(wěn)定性的TM-N2單元，可以調(diào)節(jié)過渡金屬原子的活性，石墨炔的性質(zhì)也由半導體向金屬性質(zhì)轉(zhuǎn)變，提高了導電性，促進了電催化過程中的電子轉(zhuǎn)移。研究發(fā)現(xiàn)Pt-pyGY、Ni-pyGY和Pd-pyGY對于OER和ORR具有較好的催化活性，其催化ORR反應(yīng)的過電位分別為0.59，0.27和0.55 V，OER和ORR過電位之和分別為0.99 ，0.63 和1.09 V，目前的Pt基催化劑二者過電位分為0.45和1.68 V，說明Pt-pyGY、Ni-pyGY和Pd-pyGY理論上更容易催化OER和ORR反應(yīng)，有潛力作為氫-氧燃料電池的催化劑；而且Ni和Pd對于HER反應(yīng)也有較好的催化活性，可以作為多功能電催化劑進行使用。此外，Yuan等[54]通過密度泛函理論計算石墨炔納米管對于HER和ORR的電催化活性，發(fā)現(xiàn)其催化活性要優(yōu)于鉑的催化活性，說明石墨炔納米管可以用于催化氧的還原，有潛力用于氫-氧燃料電池之中。綜上所述，石墨炔在催化氧還原反應(yīng)方面具有較好的活性和穩(wěn)定性，有利于作為催化劑用于氫-氧燃料電池上的發(fā)展。

3.3 鈉離子電池

因為成本等問題，人們開始尋找一種可替代鋰離子電池的新的能源，而鈉離子電池是目前比較熱門的一種新型電池，對其陽極來說，既要滿足其儲鈉高容量，又要具有良好的導電性。目前也有一些鈉離子電池陽極的研究: Xu等[9]通過計算得出，GY和GDY理論儲鈉濃度分別為NaC4和NaC3，遠超石墨的NaC12，且鈉離子擴散能壘也只有0.4 eV，具有較好地鈉儲存和鈉擴散能力。Chen等[55]通過第一性原理計算研究發(fā)現(xiàn)，B、Be對γ-graphyne(γ-GY)進行雙摻雜，可以有效提高其儲鈉性能；γ-GY的原始儲鈉容量大約為372 mAh/g，經(jīng)過B-Be雙摻雜后，理論容量為702 mAh/g，開路電壓為0.108 V；根據(jù)擴散能壘計算，鈹和硼原子可為鈉離子提供較低的能量擴散路徑，再加上其對鈉離子具有較高的導電性，摻雜后的石墨炔有成為鈉離子電池陽極的前景。

由于石墨炔獨特的納米孔結(jié)構(gòu)，其中的碳原子可以有效地結(jié)合較多的鈉原子，通過原子摻雜后的石墨炔也具有較好儲鈉容量、較低的擴散能壘和良好的導電性。綜上可得，石墨炔及其衍生物是一種具有潛力成為鈉離子電池陽極的材料。

3.4 多價離子電池

多價離子電池由于每個離子有多個電子轉(zhuǎn)移，理論上能比單價離子電池提供更高的能量密度，但是由于缺乏可逆電極材料，循環(huán)性較差等問題制約了多價離子電池的發(fā)展。目前，一些研究人員通過對石墨炔進行結(jié)構(gòu)的改造和優(yōu)化，發(fā)現(xiàn)其對于Ca2+、Mg2+離子電池的負極具有較好的應(yīng)用前景。

Borhani等[10]利用DFT進行計算，探究了類石墨炔共價三嗪結(jié)構(gòu)(GYCTF)作為鎂離子電池負極的潛在應(yīng)用。研究顯示，Mg可以較好地吸附在GYCTF的碳六元環(huán)中心上方，吸附能約為349.5 kJ/mol，硫醇功能化的GYCTF具有較高的電導率，平均開路電壓為0.68 V，比容量約為1462.4 mAh/g。結(jié)果表明，與通常的二維材料相比，在存儲容量、體積膨脹等方面，功能化的GYCTF表現(xiàn)的較好，使其成為一種較有前途的鎂離子電池負極材料。Muhammad等[56]設(shè)計了一種磷摻雜的以丁二炔鍵連接各層的三維多孔磷石墨二炔，稱為3D-PGDY。3D-PGDY獨特的sp雜化結(jié)構(gòu)為Ca提供了活性位點，吸附的Ca原子將電子轉(zhuǎn)移到3D-PGDY中，形成Ca離子，存儲容量為2 129.12 mAh/g。丁二炔鍵均勻分布造成的勢面光滑，使得Ca離子在3D-PGDY中具有較強的流動性，擴散勢壘也較低，為0.35 eV；并且該結(jié)構(gòu)在充放電時體積變化較小，體積膨脹為2.32%。3D-PGDY具有較高的穩(wěn)定性、較好的性能，在鈣離子電池的負極應(yīng)用方面具有較大研究潛力。

3.5 超級電容器

除電池之外，石墨炔在超級電容器上表現(xiàn)出的性能也值得探討。Ding等分別制備了γ-graphyne[11]和N-graphyne[39]，實驗發(fā)現(xiàn)，γ-graphyne用于超級電容器電極時，超級電容器表現(xiàn)了良好的循環(huán)性能，電流密度在0.2 A/g/時，最大比容量為81 F/g，進行5 000次循環(huán)后，容量保持率仍有87.5%(圖4(a),(b))。γ-graphyne具有較大的比表面積和較高的載流子密度，較多的碳化學鍵和大的共軛體系也使得其具有較高的電荷遷移率。石墨炔本身有較好的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，也可以通過原子摻雜等方式調(diào)節(jié)其結(jié)構(gòu)，優(yōu)化在電化學方面的性能。通過氮摻雜石墨炔便是其中一種方式，氮摻雜石墨炔后，可在其中產(chǎn)生微孔、影響電子分布，提高了石墨炔的電活性表面積和潤濕性，改善了其電化學性質(zhì)。Ding等將N-graphyne用于超級電容器的電極，電流密度在1 A/g時，超級電容器最大容量為235 F/g，在6 A/g時，充放電循環(huán)3 000次，仍有87%的容量保持率(圖4(c)-(f))；通過摻雜氮原子，進一步優(yōu)化了其在超級電容器中的性能表現(xiàn)，展示了其在超級電容器中的應(yīng)用潛力。

3.6 其它儲能器件及材料

除了以上介紹的電化學儲能器件，石墨炔以其優(yōu)良的特性，在其他方面的應(yīng)用也被科研人員進行探索和研究。Zhang等[12]將含有GDY的無水氯苯作為抗溶劑，在一步合成鈣鈦礦的過程中，將GDY引入到了鈣鈦礦的上部。與原始的鈣鈦礦膜(PSK)相比，GDY改性后的鈣鈦礦(PSK/GDY)應(yīng)用與太陽能電池時，發(fā)現(xiàn)其將光電流密度(Jsc)提高了24.21 MA/cm2，功率轉(zhuǎn)換效率(PCE)提高了19.6%。GDY比鈣鈦礦具有更高的費米能級，可以積累和運輸鈣鈦礦產(chǎn)生的空穴，有利于鈣鈦礦內(nèi)部光生電子和空穴的分離和擴散，經(jīng)GDY修飾后的鈣鈦礦與GDY界面形成的肖特基勢壘可以保證鈣鈦礦向GDY的單向空穴傳輸，實現(xiàn)鈣鈦礦層內(nèi)光生載流子的自動分離，促進了光的利用和電荷的提取。原子力顯微鏡和開爾文探針力顯微鏡的探測圖像顯示，在黑暗條件和光照條件下，PSK/GDY的表面電位都高于PSK，說明GDY在聚集和運輸空穴的過程中起了積極作用(圖4(c))。研究結(jié)果表明，GDY在鈣鈦礦太陽能電池中的應(yīng)用有著較好的前景。

圖4 (a)電流密度從10～0.2 A/g范圍內(nèi)γ-graphyne的比電容值; (b)電流密度為3 A/g時的比電容保持率[11,39]; (c)電流密度從10～1 A/g范圍內(nèi)N-graphyne的比電容值; (d)電流密度為6 A/g時的比電容保持率; (e) N-graphyne的FE-SEM圖像;f)N-graphyne的TEM圖像[11,39]; (g)PSK和PSK/GDY的三維原子力顯微鏡和三維開爾文探針力顯微鏡圖像[12]

石墨炔獨有的結(jié)構(gòu)和較強的化學適應(yīng)性，使其可以與氫原子發(fā)生極化和原子軌道雜化反應(yīng)，具有一定的儲氫能力，可以作為較好的儲氫材料，給氫-氧燃料電池提高氫源。

Shams等[57]使用密度泛函理論(DFT)計算鉀在γ-石墨炔中處于不同吸附位置的結(jié)構(gòu)性質(zhì)。結(jié)果表明，鉀原子在石墨炔中理想的吸附位點為12元環(huán)中心、六角環(huán)中心和炔鍵頂端，吸附能分別為-5.86，-5.48和-5.47 eV。鉀原子可以在石墨炔的一側(cè)結(jié)合9個氫分子，平均吸附能為0.204 eV/H2，對于兩側(cè)吸附鉀原子的石墨炔來說，儲氫容量可達13.95%(質(zhì)量分數(shù))。這項研究表明，用K修飾的石墨炔可以作為有前景的儲氫材料。Wang等[58]通過密度泛函理論計算得出，鈉原子在H4，4，4-graphyne中最優(yōu)先的吸附位點為炔環(huán)中心。4個鈉原子修飾的石墨炔環(huán)的兩側(cè)，平均結(jié)合能為2.33 eV。將氫氣分子連續(xù)引入被鈉原子修飾的石墨炔表面時，發(fā)現(xiàn)每個鈉原子周圍最多可以吸收9個氫氣分子，被吸附的氫氣分子分為兩層，平均吸附能為0.12 eV/H2，質(zhì)量密度占比達16.03%。根據(jù)GCMC模擬，在77 K和10 MPa的條件下，修飾有鈉的石墨炔可儲氫16.97%，這與密度泛函理論計算結(jié)果相呼應(yīng)，印證了石墨炔被鈉修飾以后具有較高的儲氫性能。Wu等[59]對氫分子在石墨炔納米管上的吸附進行研究表明，與Li金屬摻雜相比，由于Ca和Sc與氫之間具有強烈的軌道雜交作用，對于Ca和Sc修飾的石墨炔納米管，吸附H的平均吸附能為-0.10 eV到-0.12 eV，存儲的氫的質(zhì)量密度分別為5.6%和5.4%(質(zhì)量分數(shù))。研究結(jié)果表明，被Ca和Sc金屬修飾的石墨炔可以較大的提高儲氫的能力。Zhang等[60]使用第一性原理計算方法，計算研究二維多孔氫取代的石墨炔(HsGY)在摻雜Li原子后吸附氫原子的含量。研究發(fā)現(xiàn)，Li原子更易吸附于六邊形環(huán)的中心，結(jié)合能為-1.91 eV，Li和HsGY之間的相互作用歸因于極化和弱雜交機制。每個Li原子最多可以附著4個H2。對于雙面鋰修飾的HsGY，H2的質(zhì)量密度可達11.35%(質(zhì)量分數(shù))，平均吸附能為-0.25 eV，結(jié)果表明，鋰修飾的HsGY是一種具有較大潛力的H2存儲材料。

以上研究顯示，通過鋰、鉀、鈉、鈣等金屬單原子對石墨炔進行修飾改性，可以較大的增強石墨炔的儲氫性能；同時，通過多原子對石墨炔的摻雜和修飾，對其儲氫性能也有較好地提高[61-63]。

例如，Mohajeri等[61]研究了Li、Na修飾的氮硫共摻雜石墨炔(GYNS)的儲氫能力，結(jié)果表明，NS共摻雜增加了堿金屬與石墨炔表面的電荷轉(zhuǎn)移和結(jié)合強度，對石墨炔的儲氫能力有較好的提升。氮硫摻雜使鋰和鈉修飾的石墨炔的儲氫能力分別增加了近30%和60%。在GYNS表面，每個Li和Na原子能夠捕獲4個和5個氫分子。在NS濃度為33.3%且Li和Na對稱修飾在GYNS兩側(cè)時，Li和Na修飾的氮硫共摻雜石墨炔存儲容量分別為8.98%和9.34%(質(zhì)量分數(shù))。多原子摻雜可能改變了石墨炔的導電性質(zhì)，使其導電性質(zhì)從半導體向類似于金屬轉(zhuǎn)變，同時對氫的吸附具有協(xié)同作用，有利于提高其儲氫能力。

4 結(jié) 語

石墨炔作為一種新興的碳材料，由于獨特的結(jié)構(gòu)特征和電子特性，使其具有優(yōu)秀的理化性質(zhì)，在各類新能源器件中擁有得天獨厚的優(yōu)勢和出色的性能。就目前來說，對于石墨炔的研究仍然還只是處于初期階段，想要將其真正的應(yīng)用于社會生產(chǎn)中，仍需要做大量的工作：

(1) 通過已有的研究工作，應(yīng)當對其單原子或多原子摻雜和修飾進行理論計算，對不同的原子進行選型和計算其電化學性能，以求尋找提高其儲鋰、儲氫、儲鈉以及其電化學催化活性，提高導電率和電化學穩(wěn)定性，降低離子擴散能壘的方法和材料結(jié)構(gòu)。

(2) 對石墨炔及石墨炔基化合物的制備方法進行實驗和改進，不同的制備策略可能會導致生成的產(chǎn)物性能差別較大，以后的工作應(yīng)當加大在其制備方法上的力度，尋求能夠生成較好質(zhì)量產(chǎn)物的方式，使其能夠更好地應(yīng)用在電化學器件領(lǐng)域，在促進社會進步和實現(xiàn)碳中和目標中發(fā)光發(fā)熱。