近年來，零維碳點(diǎn)（CDs）的合成和應(yīng)用研究已發(fā)展成為一個充滿活力和令人振奮的新研究領(lǐng)域。CDs具有多樣而迷人的化學(xué)、結(jié)構(gòu)和光學(xué)特性，可以在基礎(chǔ)研究和應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)行開發(fā)。特別是，CDs具有優(yōu)異的電化學(xué)活性和易修飾的特性，使其在電催化和電能儲存方面具有很好的應(yīng)用前景。
近日，鄭州大學(xué)盧思宇教授，中科院理化技術(shù)研究所張鐵銳研究員，河南工業(yè)大學(xué)Yuan Liu綜述了CDs基電極材料的最新進(jìn)展，包括合成方法、CDs的物理化學(xué)性質(zhì)、修飾和功能化策略，特別是結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系。然后討論了含CDs電極在析氧/析氫、O2還原、CO2還原、電容器和電池中的應(yīng)用。最后，對CDs基電極研究仍面臨的挑戰(zhàn)和機(jī)遇提出了個人看法。
本文要點(diǎn)
要點(diǎn)1. 實(shí)現(xiàn)CDs的可控合成是構(gòu)建CDs基電極的前提，也是CDs在電化學(xué)能量轉(zhuǎn)換和儲能方面的實(shí)際應(yīng)用的基礎(chǔ)。近年來出現(xiàn)了許多合成CDs的物理和化學(xué)方法，通常分為“自上而下”和“自下而上”兩種方法。
要點(diǎn)2. CDs的組成和結(jié)構(gòu)隨所用的前驅(qū)體和合成條件的不同而不同。然而，它們的主要結(jié)構(gòu)特征具有相似性，例如sp2和/或sp3雜化碳核、結(jié)構(gòu)缺陷和表面含氧基團(tuán)。CDs的電化學(xué)性質(zhì)和CDs基復(fù)合材料的易構(gòu)造性與其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。盡管CPDs具有迷人的光學(xué)性質(zhì)，但由于其碳化度有限、電導(dǎo)率低，在電化學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用報道很少。因此，電化學(xué)中使用的CDs僅限于GQDs、CQDs和CNDs。然后總結(jié)了CDs的改性的研究進(jìn)展，主要包括雜原子摻雜（單一元素?fù)诫s和多元摻雜）和CDs基納米雜化材料。要點(diǎn)3. 電化學(xué)能量轉(zhuǎn)換和儲存裝置利用氧化還原反應(yīng)，如水分解中的析氫和放氧反應(yīng)(HER和OER)，燃料電池或金屬-空氣電池中的O2還原反應(yīng)(ORR)，以及二氧化碳還原反應(yīng)(CO2RR)來儲存化學(xué)鍵中的電能或產(chǎn)生高價值的產(chǎn)品。水電解槽、燃料電池、超級電容器和電池等能源轉(zhuǎn)換設(shè)備的規(guī)模和盈利能力，取決于高效、耐用和低價電催化劑的開發(fā)。CDs由于其優(yōu)越的物理化學(xué)性質(zhì)，在上述應(yīng)用中具有構(gòu)建高性能電催化劑的許多優(yōu)點(diǎn)，近年來在這方面取得了很大進(jìn)展。要點(diǎn)4. 為了滿足對能源和可持續(xù)實(shí)踐日益增長的需求，現(xiàn)代社會需要迅速從化石燃料能源轉(zhuǎn)向清潔可再生能源技術(shù)。此外，電動汽車和便攜式電子產(chǎn)品的日益普及產(chǎn)生了對具有高能量密度和長期穩(wěn)定性的電化學(xué)儲能裝置的需求。超級電容器和充電電池因其安全、低價和高效率而成為這些應(yīng)用的關(guān)鍵儲能系統(tǒng)。電極材料的效率對這些器件的整體性能有很大影響。CDs由于其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和物理化學(xué)特性，被認(rèn)為是超級電容器和電池的理想電極候選材料。作者總結(jié)CDs在這一領(lǐng)域的最新研究，突出其在這類器件中的優(yōu)勢。要點(diǎn)5. 作者指出，但對CDs基電極材料的研究仍處于初級階段。其未來發(fā)展仍面臨一下挑戰(zhàn)和機(jī)遇：i）CDs的大小、結(jié)晶度、缺陷、摻雜劑和官能團(tuán)等物理化學(xué)性質(zhì)對其電化學(xué)活性有很大的影響；ii）揭示CDs及其復(fù)合材料中的活性中心，并研究其在電化學(xué)過程中的演化，是值得關(guān)注的問題；iii）由于operando表征技術(shù)的局限性，CDs在不同電化學(xué)體系中的作用還需要進(jìn)一步研究；iv）復(fù)合材料界面工程、組裝行為以及CDs與其他組分結(jié)合的協(xié)同效應(yīng)還需要更系統(tǒng)、更深入的研究；v）大量研究證實(shí)，CDs在增加超級電容器的電容、減小充放電過程中電極的體積變化、加速離子和電子的傳輸?shù)确矫婢哂芯薮蟮臐摿Γ?span style="font-stretch: normal; line-height: normal; font-family: Arial;">vi）將CDs基材料應(yīng)用于其他重要的電催化轉(zhuǎn)化過程，如將氮?dú)怆姶呋€原為氨、甲醇或乙醇在甲醇或乙醇燃料電池中的催化氧化等，將不可避免地成為未來研究的重點(diǎn)。Yunpu Zhai, et al, Carbon Dots as New Building Blocks for Electrochemical Energy Storage and Electrocatalysis, Adv. Energy Mater. 2021
DOI: 10.1002/aenm.202103426https://doi.org/10.1002/aenm.202103426
