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李玉良：《石墨炔的未来可期》
2026-09-15 13:23:36
作者：李玉良（中国科学院院士，中国科学院化学研究所研究员）
石墨炔是一种新兴的二维碳材料，石墨炔是一种具有很大发展潜力的新碳同素异形体，由于其奇特的sp和sp2电子结构并具有本征带隙，展现了已发现的碳材料难以出现的性质。碳材料是电化学能源转换器件中重要的组成部分，与传统碳材料相比，石墨炔在合成及结构方面已经展现出诸多的先进性。其制备条件温和友好（通常低于100°C），可在液相体系下在多种基底上原位大面积制备，改变了常规碳材料合成制备方式。石墨炔具有平面内多孔结构，通过前驱体的设计可以实现孔尺寸精确控制，获得优异的选择性透过功能；杂原子以及具有特定功能的官能团可以准确的用于修饰石墨炔，调控石墨炔的能带结构和化学、物理性质等；力学模量和强度可调，可以满足不同应用需求；二维平面高度共轭特点赋予石墨炔优异的电荷传输和载流子迁移能力；sp和sp2杂化的二维网络全碳结构使得石墨炔兼具独特的化学活性和物理稳定性。石墨炔的特点表明，它是一种独特的电化学能源转换材料，是解决电化学器件中的电极界面问题的关键材料，将可能影响能源领域发展。
电化学界面行为研究是电化学能源转换器件研究的重要内容，其包括界面结构、界面反应、反应热力学和动力学问题等。在锂离子电池正负极材料中，不稳定的电化学界面是导致电荷转移电阻大、材料结构衰变和电池胀气等方面的主要因素之一。
在高能量密度的正负极电极中（Si，Ge和高Ni电极），不稳定的电极界面将产生更为严峻的性能和安全问题。在碱金属电池中，不稳定的界面会产生碱金属晶枝，是电池效率低、循环差、安全性低的重要原因。构筑稳定的离子可选择性透过的人工电极界面，可有效地解决碱金属晶枝问题。在燃料电池中，催化剂界面的本质决定了催化反应动力学、反应过程、物质传输和反应选择性等。碳材料的表面性质影响了活性物质传输和与催化剂的界面接触、进而影响了系统的反应阻抗和极化。如何增加和稳定催化剂界面活性以及与碳载体的界面接触作用是燃料电池的研究热点。在超级电容器研究中，大量的工作仅仅关注如何增加电极材料的比表面，却忽视了如何提升电极表面的浸润性质。
新材料的出现以及新的电极界面的构筑可能为解决以上电化学能源转换器件关键问题提供可行的思路。而石墨炔的大量研究工作已经展现出构筑这种特异性电极界面的巨大潜力。
近年来，石墨炔独特结构的优势在高效电化学能源转换器件的应用探索研究中展示出前所未有的创纪录换能效率。石墨炔的发现为构建新型的贵金属与石墨炔的电化学界面，实现高效、高选择和高稳定性贵金属催化剂带来了新的空间，可能是实现燃料电池推广的有效途径。也为研究石墨炔的多孔结构带来的限域效应，复合界面的协同效应，研究反应的中间过程与反应机理，以及探索催化剂的抗毒化机理等带来崭新的理念。
本文内容有删减。
作者介绍：
李玉良：无机化学家，中国科学院院士，中国科学院化学研究所研究员，中国科学院大学教授、博士生导师。李玉良院士的主要研究领域为有机和无机/有机杂化共价、非共价超分子体系；富勒烯化学；有机纳米结构和材料。主要是设计、合成具有光电活性的有机及有机高聚物材料、有机/无机聚集态结构材料、纳米及纳米结构材料以及共轭高聚物材料等。在Nature Chem．Nature Commun., Acc. Chem. Res., Chem. Soc. Rev., J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater.和PNAS等国际权威学术杂志上发表SCI收录论文600余篇，近五年应邀在Chem. Rev. Acc. Chem. Res., Chem. Soc. Rev.和Adv. Mater.等撰写综述16篇，应邀在国际会议做40余次大会或邀请报告。三次获得国家自然科学二等奖，两次获得北京市科学技术奖（自然科学）一等奖，一次获得中国科学院自然科学二等奖等。2017年获首届全国创新争先奖，2017年获何梁何利科学与技术进步奖。
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