近日，中国科学院化学研究所研究员、山东大学讲席教授李玉良院士和山东大学薛玉瑞教授，在石墨炔高效催化领域再获系列重要进展。相关成果发表在PNAS、Nat. Commun.、CCS Chemistry等高水平国际学术期刊。

石墨炔作为二维碳材料，在化学结构和电子结构上特点突出，其独特的sp和sp²杂化的二维网络全碳结构、天然孔洞结构和本征带隙、丰富的碳化学键以及任意材料基底低温温和可控连续生长的性质，改变了传统碳材料单一的杂化和高温、高压等苛刻的制备方式，在生长、组装、性质和性能调控等方面展现出众多天然的优势和先进性，可以实现生长化学组成明确、价态和结构清楚的高性能界面结构。石墨炔特殊的本征特性和结构，为催化、能量存储与转换、环境科学、光电转换与器件、智能信息转换材料、生物医学等诸多领域的创新带来新的空间，为克服不同科学领域的瓶颈问题提出了新的解决思路。

1、石墨炔用于大电流高效海水制氢

氢能是未来能源体系的基石。海水电解制氢是新型氢能转化的重要发展方向。如何实现高选择性、高活性和高稳定性海水电解仍是世界性难题，也是实现零污染和高度氢燃料经济的关键一步。然而，海水电解中存在很高的反应能垒、很低的阳极反应选择性，以及本征活性低、活性位点少、稳定性差和高浓度氯离子造成催化剂失活等严重问题，严重制约了高效海水电解催化剂的发展。因此，海水电解制氢领域亟待解决的重要科学瓶颈是发展高选择性、高活性以及高稳定性，特别是在大电流密度下性能优异的催化剂。

针对这一科学瓶颈问题，李玉良院士提出了“异质界面上石墨炔与金属原子间的不完全电荷转移引发催化体系的高活性和高选择性”这一催化领域的崭新概念；提出基于氧化物半导体的双层异质界面结构原位控制生长的新理念，实现了双层异质界面结构催化剂在高效海水电解领域的高效利用（PNAS2022, 119, e2206946119）。我们发现，界面处sp‒C~O‒Rh键的形成使催化材料具有出色的电荷转移能力、优异的导电性、丰富的活性位点数量和超高的电催化活性，并确证催化剂界面上电子给体和受体间独特的不完全电荷转移现象赋予催化体系优异的导电性、超高的反应活性和选择性（图1）。催化剂表现出优异的海水电解性能：GDY/RhO_x/GDY仅需要1.42和1.52 V vs. RHE外加电压即可实现电流密度10和500 mA cm^-2的高效电化学海水电解，具有商业应用的巨大价值。

图1.石墨炔金属氧化物半导体异质结催化剂用于高效海水电解

此外，针对传统金属纳米材料制备和应用过程中结构易被破坏，催化活性和稳定性差等问题，提出了高密度原子缺陷新概念，在石墨炔上实现了具有高密度原子缺陷的金属Rh量子点的精准制备，同时实现了对催化剂晶体结构和形貌的双重调控（Nat. Commun.2022, 13, 5227）。我们发现石墨炔与金属量子点之间的不完全电荷转移新现象，极大的提高了催化剂的本征活性，石墨炔/金属铑量子点催化剂显示了目前最高的大电流海水制氢性能：室温常压下仅需65 mV过电位即可实现1000 mA cm^-2的大析氢电流密度（图2）。

图2.石墨炔金属铑量子点催化剂用于大电流海水制氢

2、石墨炔用于室温常压下高选择性高效制氨

如何实现在常温、常压下将氮（N₂）高效还原成氨（NH₃）一直受到科学界和工业界广泛关注。发现具有变革性催化性能的合成氨催化剂，实现常温常压下高选择性、高产率合成氨，仍然是该领域面临的巨大挑战。

我们利用石墨炔富炔结构、孔洞结构与金属原子之间电荷转移效应，结合多孔结构的空间尺度效应，提出了金属离子锚定-电子转移-原位还原锚定零价金属的稳定过程，成功在石墨炔上锚定了零价铜金属原子（Nano Today2022, 43, 101431），实现了金属原子与石墨炔本体的不完全电荷转移，大大增加了催化剂的活性位点使催化活性位点数量最大化以及活性组分的高度分散，并成功实现室温、常压下的高选择性、高活性电催化硝酸根还原制氨（图3）。

最近，我们提出了精准可控构筑具有电子给体-受体结构的异质结界面结构新理念，实现了化学组成明确、价态和结构清楚的高性能界面活性中心催化剂的高效合成，清晰阐明了催化活性来源，以及反应选择性机制，实现了室温常压下硝酸根还原制氨反应的超高选择性、产率和法拉第效率（CCS Chemistry2022,https://doi.org/10.31635/ccschem.022.202202189）。

图3.石墨炔基催化剂用于高效制氨

3、石墨炔基新概念氢能转换体系

直接利用“水中的氢”建立可持续的“氢能产生-转换-储能”新模式能量转换体系，是实现零污染、氢燃料经济的理想途径。李玉良院士从理念上创新，提出了构建新概念氢能转换系统的新策略，并实现了新型高性能“自发氢能产生—转换—电能存储”的新模式能量转换器件的构建（Adv. Funct. Mater.2022, 32, 2202843；图4），获得了具有结构确定、高本征活性、高比容量和高能量密度的电极材料，实现了体系中“水中氢的提取”和“硝酸根的还原”过程的自动自发转换，实现水中氢能向电能的高效转化与利用，同时实现高选择性高反应活性制备高附加值的氨。该电极材料组装的电池具有目前最高的比容量（15500 mA h g^-1），而且在放电过程中实现高选择性和高活性的电化学催化硝酸根还原合成氨，显示了目前最高的法拉第效率(99.2%)和氨生成速率(149 mmol g_cat.^-1h^-1)。

图4.新概念氢能转换体系。

相关链接：

[1] https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2206946119

[2] https://www.nature.com/articles/s41467-022-32937-2

[3] https://www.chinesechemsoc.org/doi/full/10.31635/ccschem.022.202202189

[4] https://www.chinesechemsoc.org/doi/full/10.31635/ccschem.022.202202005

[5] https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1748013222000585

[6] https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202202843