一
背景介紹
近年來(lái)，電池、燃料電池板、超級(jí)電容器（SC）和H2O/CO2電解以及太陽(yáng)能、風(fēng)能、地?zé)崮堋⒑Ｑ蟮惹鍧嵞茉匆寻l(fā)展成為高效、可靠、實(shí)用的電物理能源。存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)換技術(shù)。 然而，該技術(shù)所使用的電極材料仍需要進(jìn)一步改進(jìn)，尋找新材料來(lái)降低成本并實(shí)現(xiàn)更高的性能。 在這方面，不同結(jié)構(gòu)和形貌的碳基材料因其高產(chǎn)率、低成本、高導(dǎo)電性、高化學(xué)/熱穩(wěn)定性和大比表面積等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛探索并應(yīng)用于電物理能源。 。 技術(shù)。
自碳納米粒子（CNP）形成以來(lái)，出現(xiàn)了各種結(jié)構(gòu)和形貌的碳點(diǎn)（CD），包括碳量子點(diǎn)（CQD）、石墨烯量子點(diǎn)（GQD）、碳納米點(diǎn)（CND）、聚合物點(diǎn)（PD）和碳化聚合物點(diǎn)（CPD）。 據(jù)悉，它們還被發(fā)現(xiàn)具有奇特的性質(zhì)，如光致發(fā)光（PL）、電致發(fā)光、高比表面積、異質(zhì)原子摻雜能力、豐富的表面構(gòu)象和低毒性等。 CD的適用性為催化、生物醫(yī)學(xué)、傳感、光電等領(lǐng)域的快速發(fā)展鋪平了道路。 隨著電物理能量存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)換技術(shù)的發(fā)展，CD在該領(lǐng)域逐漸受到關(guān)注。
最近，一些大規(guī)模且經(jīng)濟(jì)高效的CD合成策略被提出，并被證明在各種實(shí)際應(yīng)用中具有潛在價(jià)值。 在CD的電物理應(yīng)用方面，它們具有導(dǎo)電性、電物理活性位點(diǎn)多、比表面積大、與多種材料相容性、可塑性強(qiáng)、環(huán)境穩(wěn)定性等優(yōu)異的性能。 多功能碳點(diǎn)還可以與金屬氧化物和導(dǎo)電聚合物等其他活性材料結(jié)合，作為電極材料，并表現(xiàn)出增強(qiáng)的比容量、循環(huán)穩(wěn)定性和倍率性能。 據(jù)報(bào)道，將雜原子摻雜劑摻雜到CD中可以改善金屬-空氣板、燃料板和H2O/CO2電解中的二氧化碳還原反應(yīng)(ORR)、析氧反應(yīng)(OER)/甲烷析出反應(yīng)(HER)。 ) 濁度比和電催化活性。 為了進(jìn)一步增強(qiáng)電催化性能，可以通過(guò)改變反應(yīng)條件來(lái)控制碳點(diǎn)表面構(gòu)象的規(guī)格和插層狀態(tài)。
在電物理儲(chǔ)能和催化裝置中使用碳點(diǎn)的優(yōu)點(diǎn)主要如下：1）碳點(diǎn)具有一些吸引人的特性，可以提供用于導(dǎo)電、雜原子摻雜和表面構(gòu)象修飾以增強(qiáng)導(dǎo)電性的電子空穴對(duì)。 物理活性穩(wěn)定，表面積大，潤(rùn)濕性能好。 2）CD可以作為模板、誘導(dǎo)劑或前體來(lái)制備具有奇異結(jié)構(gòu)的材料。 例如，低成本的碳點(diǎn)可以用作石墨烯和許多其他昂貴的碳納米材料的替代品。 3) CD可以集成到不同的系統(tǒng)中。 CD 可以直接添加到合成過(guò)程中，也可以使用原位方法（水熱/溶劑熱、微波輔助合成和低溫碳化）、電泳沉積 (EPD) 和電物理沉積來(lái)生成。
圖 1. 用于電物理儲(chǔ)能和催化應(yīng)用的碳點(diǎn)的性質(zhì)、功能和合成方法之間的關(guān)系
目前，CDs是能源材料領(lǐng)域最熱門的研究領(lǐng)域之一。 然而，需要對(duì)該領(lǐng)域進(jìn)行更深入的探索，以增進(jìn)對(duì) CD 的理解。 論文中，北京大學(xué)張久軍教授和趙玉峰院長(zhǎng)從CD的分類、合成、表征、作用機(jī)制和性能驗(yàn)證/優(yōu)化等方面全面回顧了CD發(fā)展的最新進(jìn)展。 值得注意的是，指出了碳點(diǎn)在材料制備和電物理性質(zhì)中的作用。 為了促進(jìn)進(jìn)一步發(fā)展，總結(jié)了與CD及其復(fù)合材料相關(guān)的幾個(gè)重要方面，并對(duì)實(shí)際應(yīng)用中的技術(shù)挑戰(zhàn)和可能的發(fā)展前景進(jìn)行了剖析和討論。
文章在線發(fā)表，標(biāo)題為“”。
二
CD 的基礎(chǔ)知識(shí)和合成
2.1 CD的基礎(chǔ)
CDs是尺寸為1-的準(zhǔn)球形納米顆粒，一般由sp2碳原子和sp3碳核組成，邊緣和主體具有異質(zhì)原子、缺陷和表面構(gòu)象。 CD可以分為五種類型：CQD、GQD、CND、PD和CPD。 學(xué)術(shù)界認(rèn)可的PL機(jī)制有四種：1）量子限域效應(yīng)（QCE）或共軛π域由碳核決定； 2）表面態(tài)由碳骨架的介孔和附著的配體決定； 3）分子狀態(tài)由整合到CD中的熒光分子確定； (4)交聯(lián)增強(qiáng)發(fā)射(CEE)效應(yīng)。 事實(shí)上，大多數(shù)CD的PL機(jī)制都是這一原理的協(xié)同作用。 盡管CD的固有內(nèi)部結(jié)構(gòu)和表面物理配體有所不同，但它們具有一些共同的特性，例如高濁度比、可調(diào)節(jié)的P??L、大的比表面積以及在各種溶劑中的可變分散性。 調(diào)節(jié)、穩(wěn)定性好，光學(xué)、熱性能良好。 表 1 顯示了不同 CD 的特性。
圖2 碳點(diǎn)的分類：包括碳量子點(diǎn)、石墨烯量子點(diǎn)、碳納米點(diǎn)、聚合物點(diǎn)和碳化聚合物點(diǎn)及其光致發(fā)光機(jī)理
表1 碳點(diǎn)分類標(biāo)準(zhǔn)
CQD 通常是
GQD 是差異化程度最高的 CD。 通常，它們由雙層或幾層石墨烯（通常超過(guò)五層）產(chǎn)生，氧/氮官能團(tuán)附著在邊緣，但通常是各向異性的，縱向尺寸明顯小于層寬度。 大多數(shù) GQD 是由石墨基材料合成的。 由于其優(yōu)異的邊緣效應(yīng)和QCE，使其具有石墨烯顯著的特性。 導(dǎo)電性、大表面積和可調(diào)諧 PL 是 GQD 的一些附加特性。 它們?cè)谏飳W(xué)、醫(yī)學(xué)和半導(dǎo)體元件方面具有多種潛在應(yīng)用。
CND 與 CQD 基本相似，不同之處在于它們主要由 sp3 碳組成。 CND碳化程度高，表面附著有一些物理官能團(tuán)，但一般不具有顯著的晶格結(jié)構(gòu)和聚合物特征。 PL主要是在石墨碳核中的缺陷/表面態(tài)和子域態(tài)中形成的，而不是由粒徑引起的。 質(zhì)量控制工程師。 簡(jiǎn)而言之，對(duì)于CND來(lái)說(shuō)，雖然尺寸達(dá)到以上，但仍然表現(xiàn)出PL，而CQD主要通過(guò)QCE表現(xiàn)出PL。
PD是由線性非共軛聚合物組成的聚集/組裝或交聯(lián)聚合物。 所得PDs具有聚合物的基本特征，如豐富的苯環(huán)、多分散性、高度交聯(lián)結(jié)構(gòu)以及與非共軛熒光聚合物類似的其他特征。 對(duì)于PD，其PL主要來(lái)源于聚合物鏈上的熒光分子。 由于聚合物鏈之間的纏結(jié)，CEE 增強(qiáng)了熒光，從而增強(qiáng)了 PD 的量子豐度。 值得注意的是，PDs經(jīng)過(guò)進(jìn)一步碳化處理后可以進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為CPDs。
CPD 由碳核和聚合物/碳介孔結(jié)構(gòu)組成，表面附著有豐富的配體/聚合物鏈。 CPD的聚合物/碳介孔結(jié)構(gòu)賦予它們一些重要的特性，例如高氧/氮濃度、優(yōu)異的溶解度以及由于QCE、表面態(tài)、分子態(tài)和CEE而產(chǎn)生的優(yōu)異的PL量子豐度。 CPD可以被視為介于PD和完全燒焦CD之間的新型過(guò)渡材料。
2.2 CD的合成
一般來(lái)說(shuō)，CD的合成方法可分為兩類：“自上而下”的納米切割法和“自下而上”的有機(jī)法。 自上而下的納米切割技術(shù)通常涉及切割不同的碳源，例如氧化石墨烯、CF、碳納米管、富勒烯和石墨。 自下而上的有機(jī)方法包括碳水化合物的碳化、聚環(huán)丁二烯的自組裝以及小分子的有機(jī)合成。
圖3 碳點(diǎn)不同合成路線示意圖
2.2.1 水/溶劑熱法
水熱法和溶劑熱法是最廣泛使用的CD合成“自下而上”方法。 這兩種方法經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、無(wú)毒，可以使用多種原料生產(chǎn)CD，包括蛋白質(zhì)、葡萄糖、檸檬酸、殼聚糖等。 通常，將有機(jī)前驅(qū)體的氨水密封在反應(yīng)器中并在150-200℃的烘箱中熱處理以獲得CD。 CD的表面構(gòu)象可以通過(guò)在合成反應(yīng)過(guò)程中添加不同的試劑來(lái)調(diào)節(jié)。 溶劑熱碳化后有機(jī)溶劑萃取是合成 CQD 的常用技術(shù)。
2.2.2 微波輔助法
微波輔助方法是一種簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)、快速、清潔且通用的高產(chǎn)量 CD 生產(chǎn)方法。 在合成過(guò)程中，極性分子的偶極矩可以與溶劑中的交變電場(chǎng)和磁場(chǎng)相互作用，從而引發(fā)分子級(jí)加熱。 與其他方法相比，微波輔助合成碳點(diǎn)的主要優(yōu)點(diǎn)是材料加工涉及非接觸加熱，因?yàn)槟芰渴峭ㄟ^(guò)分子與電磁場(chǎng)的相互作用直接在材料內(nèi)部形成的。 其他優(yōu)點(diǎn)包括反應(yīng)時(shí)間短、環(huán)境友好、節(jié)能以及樣品內(nèi)能的均勻選擇性分布，以實(shí)現(xiàn)純且可調(diào)諧CD的高產(chǎn)值。 使用此程序可以實(shí)現(xiàn)安全性、重現(xiàn)性和對(duì)實(shí)驗(yàn)參數(shù)的出色控制。 據(jù)悉，微波處理對(duì)于短時(shí)間內(nèi)降低規(guī)格、提高產(chǎn)品產(chǎn)值至關(guān)重要。
2.2.3 物理氧化/剝離法
物理氧化/剝離方法涉及用強(qiáng)堿碳化有機(jī)小分子，然后通過(guò)受控氧化進(jìn)一步裂解。 苛刻的合成條件是該方法的主要缺點(diǎn)。 通過(guò)一步物理剝離 可以制備平均半徑約為 4 nm 的均勻 GQD。 由于它們?cè)趶?qiáng)氧化環(huán)境下剝落，所獲得的GQD具有較高的缺陷率。
2.2.4 電物理氧化/剝離法
使用幾種帶狀碳材料作為前體的電物理氧化/剝離方法是合成碳點(diǎn)的強(qiáng)大技術(shù)。
2.2.5 激光碳化/輻照法
激光碳化物/輻照是一種一步法，在納米材料的生產(chǎn)中比傳統(tǒng)的物理合成技術(shù)具有優(yōu)勢(shì)。 主要優(yōu)點(diǎn)是使用較少的物理前體并形成較少的副產(chǎn)物。 通過(guò)調(diào)整入射激光束的參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)包括CD在內(nèi)的納米材料的快速生產(chǎn)。 熱蒸發(fā)和爆燃涂層是可用于通過(guò)激光碳化物獲得納米材料的兩種工藝。 通過(guò)熱蒸發(fā)，激光照射可以使固體靶材在固液界面處在極高的濕度和壓力下產(chǎn)生等離子體。 等離子體絕熱膨脹，與周圍介質(zhì)相互作用，凝結(jié)，并導(dǎo)致快速聚集。 爆燃射流熔化目標(biāo)表面，從而在激光入射時(shí)產(chǎn)生納米液滴。 然后將這些納米液滴噴射到液體中，與表面的液體介質(zhì)發(fā)生反應(yīng)并產(chǎn)生納米材料。
2.2.6 超聲輔助法
超聲處理可以優(yōu)化CDs的制備工藝，具有制備條件溫和和產(chǎn)品收率高的雙重優(yōu)點(diǎn)。
2.2.7 其他方法
除上述方法外，熱解、自組裝、基于錨定/負(fù)載的技術(shù)、基于金屬有機(jī)骨架的模板等是可用于制備CD的一些重要措施。 CD 的氨均勻性和規(guī)格控制對(duì)其應(yīng)用至關(guān)重要，可以通過(guò)離心和透析等后處理程序進(jìn)行優(yōu)化。
三
CD 的機(jī)制
通常，基于環(huán)糊精的功能性無(wú)機(jī)材料是通過(guò)物理吸附將環(huán)糊精摻入無(wú)機(jī)物中獲得的，這可以通過(guò)以下方式實(shí)現(xiàn)：1）環(huán)糊精與其他合成無(wú)機(jī)納米材料的組裝； 2）CD/無(wú)機(jī)復(fù)合材料的合成。 一鍋合成。 然而，基于碳點(diǎn)的功能有機(jī)材料是通過(guò)利用有機(jī)分子（作為交聯(lián)劑）的非共價(jià)或共價(jià)相互作用來(lái)制備的。 在這里，驅(qū)動(dòng)力歸因于強(qiáng)相互作用、π-π堆積或官能團(tuán)。 基于這種功能化策略，碳點(diǎn)可以與金屬、金屬氧化物/硫醇、碳材料和聚合物結(jié)合，制備用于SC、電池和電催化等各種應(yīng)用的材料。
3.1 固有缺陷
CD具有兩種固有缺陷：點(diǎn)缺陷（如空位、β缺陷、位錯(cuò)）和線缺陷（如晶體界面、邊緣）。 此類點(diǎn)或線缺陷通常會(huì)打破電子空穴對(duì)稱性并形成新的多功能特征，例如優(yōu)異的催化活性、增加的自旋密度和高物理親和力。 GQD通常存在很多缺陷； 特別是對(duì)于空位缺陷，此類空位會(huì)形成一些帶有懸掛鍵的不飽和碳原子，對(duì)局域電子結(jié)構(gòu)產(chǎn)生強(qiáng)烈影響，使得空位周圍的碳原子對(duì)于電催化反應(yīng)非常重要。 更活躍。 缺陷工程也是改進(jìn)電池中碳電極材料的有效策略。 激活的缺陷為離子（Li+、Na+、K+）的滲透和儲(chǔ)存提供了更低的能壘和更高的吸附能，并為電解質(zhì)的儲(chǔ)存和擴(kuò)散提供了更大的表面積和更豐富的離子通道。
3.2 雜原子摻雜
將雜原子摻雜到碳點(diǎn)中會(huì)引起結(jié)構(gòu)和電子畸變，例如電荷傳輸、費(fèi)米基態(tài)和局域電子態(tài)。 CDs在SCs中的應(yīng)用是有益的，因?yàn)樗鼈兙哂懈嗟幕钚晕稽c(diǎn)、更高的電導(dǎo)率和更好的物理反應(yīng)性。 在碳材料中摻雜氮可以顯著增強(qiáng)SCs的性能，特別是咪唑N結(jié)構(gòu)，可以顯著改變電子結(jié)構(gòu)，降低電荷自旋密度，從而形成更大的界面電容。 據(jù)報(bào)道，雜原子摻雜還為碳點(diǎn)提供了更多的活性位點(diǎn)和離子介入的擴(kuò)散通道，從而提高了比容量和倍率性能，并形成了穩(wěn)定的固態(tài)電解質(zhì)界面（SEI）層。 碳基無(wú)金屬電催化劑的性能還與雜原子摻雜的濃度和類型密切相關(guān)，這決定了活性位點(diǎn)的固有性質(zhì)。 例如，在具有官能團(tuán)原子的CQD/GQD中摻雜雜原子（N、B、P、S等）會(huì)導(dǎo)致鍵合C原子的極化，并且雜原子位點(diǎn)可能看起來(lái)有利于氧的吸附分子。 ，增加氧的解離能壘，進(jìn)而提高ORR性能。 值得注意的是，咪唑N在OER過(guò)程中可以接受鄰近C原子的電子，從而促進(jìn)OER的速率決定步驟，即酸性介質(zhì)中水氧化中間體的吸附。 據(jù)悉，咪唑N的相鄰碳原子還可作為HER初始步驟中酸性介質(zhì)中吸收水分子的活性位點(diǎn)。
3.3 表面活性羧基
形成的碳點(diǎn)含有一些表面氧雙鍵，可以通過(guò)與電解質(zhì)離子反應(yīng)提供額外的贗電容貢獻(xiàn)。 這種氫鍵主要有甲基、羧基、羰基等。 這種邊緣氧基團(tuán)的存在可以提供更多的活性位點(diǎn)，提高潤(rùn)濕性，促進(jìn)電解質(zhì)離子的吸附和致密雙電層的生成。 特別是，甲基和羥基可以在酸性電解質(zhì)中提供贗電容，而甲基和醌基團(tuán)在堿性電解質(zhì)中表現(xiàn)出顯著的贗電容。
3.4 CD作為前體
CDs可以在低溫下煅燒以生產(chǎn)各種碳材料。 例如，在低溫和鈉催化下，碳點(diǎn)通過(guò)許多富氧配體的連接迅速分解形成大量碳原子，并逐漸自組裝生成三維（3D）碳納米片和多孔碳，用于SIB 和 SC。 以下是自組裝 CD 的可能反應(yīng)機(jī)制：
據(jù)報(bào)道，衍生的碳材料可以通過(guò)將活性金屬離子引入到碳點(diǎn)的邊緣位置來(lái)產(chǎn)生配位鍵，從而作為有效的催化劑。 CDs促進(jìn)金屬活性催化劑的均勻分散并充當(dāng)導(dǎo)電基質(zhì)，大大提高了催化活性。
3.5 CD 作為誘導(dǎo)物和模板
CD可用作誘導(dǎo)劑來(lái)控制金屬化合物的成核和生長(zhǎng)，以獲得理想的形貌和微觀結(jié)構(gòu)。 通過(guò)引入CD可以改變水熱法制備的的形貌。 隨著CD比的降低，形貌可以從扇貝形變?yōu)榛ǘ湫紊踔敛葺危憩F(xiàn)出電容和倍率性能的增強(qiáng)。 CD 還可以作為構(gòu)建碳納米結(jié)構(gòu)的模板。 將聚噻吩包覆在疏水性和親脂性 CQD 微球的表面。 在熱解過(guò)程中，CQD 分解并收縮，釋放二氧化碳并在材料中形成孔隙。 制備的空心碳可用于SIB和PIB。
四
CD在SC中的應(yīng)用
基于碳點(diǎn)的電極由于其優(yōu)異的性能，例如優(yōu)異的電子導(dǎo)電性、高表面積、可調(diào)帶隙以及在不同溶劑中的顯著潤(rùn)濕性，可以提供超高容量和最大效率。 據(jù)悉，CD在構(gòu)建柔性微型超級(jí)電容器（MSC）方面具有相當(dāng)大的優(yōu)勢(shì)。 由于碳點(diǎn)的納米級(jí)尺寸，可以構(gòu)建各種形狀的電極，同時(shí)縮短離子傳輸路徑。 CD的大比表面積和配體可以提供比微孔碳和石墨烯更大的容量。 高穩(wěn)定性使其適用于不同的電極制造技術(shù)，如EPD、膜抽濾和噴墨彩色印刷。
表2 超級(jí)電容器用碳點(diǎn)及其衍生物的電物理性質(zhì)
4.1 CD作為SC活性材料
當(dāng)碳點(diǎn)直接用作活性材料時(shí)，最顯著的優(yōu)點(diǎn)是其超高倍率性能和循環(huán)穩(wěn)定性。
4.2 CD作為SC的復(fù)合體
4.2.1 石墨烯/碳
石墨烯/CD復(fù)合材料的協(xié)同效應(yīng)可以進(jìn)一步提高SC的性能。 研究表明，活性炭骨架中的GQD可以生成互連的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，從而顯著增強(qiáng)孔內(nèi)的電荷轉(zhuǎn)移動(dòng)力學(xué)和離子遷移速度。
4.2.2 金屬氧化物/硫醇
CD還可以改善金屬絡(luò)合物電極材料的電物理行為。 研究表明，CD的添加可以為電子傳輸提供快速通道，有效提高電極材料的倍率性能。
4.2.3 導(dǎo)電聚合物
導(dǎo)電聚合物本質(zhì)上是高容量的贗電容器，但其電導(dǎo)率有待進(jìn)一步增強(qiáng)，但循環(huán)過(guò)程中的體積膨脹應(yīng)顯著增加。 為了解決上述問(wèn)題，可以在材料中引入導(dǎo)電電子傳輸網(wǎng)絡(luò)和剛性有界結(jié)構(gòu)。 在這方面，利用水熱反應(yīng)和原位聚合將碳點(diǎn)摻入材料中已被證明是有效的。
五
CD在電池中的應(yīng)用
近年來(lái)，CD在電池中的應(yīng)用得到了廣泛的探索。 除了直接改性電極材料以增強(qiáng)正極或負(fù)極材料的導(dǎo)電性外，CD還可以作為前驅(qū)體或誘導(dǎo)劑，通過(guò)低溫煅燒制備高性能正極材料的無(wú)定形碳。 表 3 總結(jié)了 CD 及其衍生物在 LIB、SIB 和 PIB 上的電物理性質(zhì)。
表3 鋰/鈉/鉀離子電池中碳點(diǎn)及其衍生物的電物理性質(zhì)
六
CDs在電催化中的應(yīng)用
對(duì)于電催化，碳點(diǎn)因其大的比表面積、電荷中性表面態(tài)、可調(diào)的雜原子摻雜和邊緣缺陷而被認(rèn)為是有前途的無(wú)金屬催化劑材料。 CD 的這些理想特性使其成為 HER 和 ORR 的 Pt/Pt 基材料替代品的有吸引力的候選者。 據(jù)報(bào)道，它們還可以用作OER中Ru/Ir和Ru/Ir基復(fù)合材料的替代品。 據(jù)悉，碳點(diǎn)可以作為負(fù)載貴金屬催化劑的載體，與傳統(tǒng)碳載體相比，可以提供更多暴露的催化劑表面活性位點(diǎn)，并提高其分散性和穩(wěn)定性。
表4 碳點(diǎn)及其衍生物在析氧反應(yīng)中的電物理性質(zhì)
表5 碳點(diǎn)及其衍生物在析氫反應(yīng)中的電物理性質(zhì)
表6 碳點(diǎn)及其衍生物在氫還原反應(yīng)中的電物理性質(zhì)
6.1 CD基材料作為HER電催化劑
電催化劑中的碳點(diǎn)在HER中具有兩個(gè)主要功能：一是碳點(diǎn)充當(dāng)電子供體和受體，加速催化反應(yīng)中的電子傳輸。 CD上的雜原子摻雜位點(diǎn)可以與負(fù)電離子結(jié)合，進(jìn)一步增強(qiáng)催化活性。 其次，CDs良好的穩(wěn)定性、溶解性、高比表面積和豐富的表面構(gòu)象可以使催化劑納米粒子均勻分散并產(chǎn)生多個(gè)催化活性位點(diǎn)。 據(jù)悉，低成本的碳點(diǎn)可以更好地替代石墨烯、碳納米管等傳統(tǒng)碳材料作為電催化劑的導(dǎo)電載體。 據(jù)悉，碳點(diǎn)可以與金屬納米粒子、過(guò)渡金屬化合物等材料形成納米復(fù)合材料，通過(guò)協(xié)同效應(yīng)增強(qiáng)其催化性能。 直接引入CDs可以增強(qiáng)Pt基催化劑的催化性能。 過(guò)渡金屬化合物和碳點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)的復(fù)合材料已被證明是有效的電催化劑。 碳點(diǎn)的雜原子摻雜也可以提高其催化性能。
6.2 CD基材料作為OER電催化劑
早已證明CDs可以直接用作OER的活性材料。 此外，CDs的摻入是提高非貴金屬催化劑OER性能的有效措施。 雜原子摻雜的GQDs材料還可以直接用作環(huán)保非金屬催化劑。
6.3 CD基材料作為ORR電催化劑
CD 邊緣的大量缺陷已被證明有利于 ORR； 特別是，在具有氫鍵原子的 CQD/GQD 中摻雜雜原子（N、B、P、S 等）會(huì)導(dǎo)致鍵合碳原子的極化，雜原子位點(diǎn)可能有利于氧分子的吸附并降低解離氧的能壘。
七
推理
研究結(jié)果表明，碳點(diǎn)是最有效的納米材料之一，具有比表面積大、納米尺度可調(diào)、電子傳輸速率快、量子尺度效應(yīng)、豐富的表面構(gòu)象和多種缺陷等顯著特點(diǎn)，表明其具有巨大的潛力在電氣領(lǐng)域。 它在物理能源應(yīng)用方面具有巨大的潛力。
對(duì)于電物理儲(chǔ)能應(yīng)用：
(1)碳點(diǎn)的雜原子摻雜和缺陷形成不僅可以調(diào)節(jié)碳網(wǎng)絡(luò)的電子結(jié)構(gòu)，還可以增強(qiáng)潤(rùn)濕性和導(dǎo)電性，從而促進(jìn)金屬離子的存儲(chǔ)容量和傳輸動(dòng)力學(xué)。 據(jù)報(bào)道，摻雜雜原子和形成的缺陷可以為離子吸附/嵌入提供更多的活性位點(diǎn)和額外的擴(kuò)散通道。
(2)碳點(diǎn)可以用作傳統(tǒng)石墨烯、碳納米管、活性炭和其他形式碳的替代前體。 以碳點(diǎn)為原料，經(jīng)過(guò)低溫處理后可以自組裝并轉(zhuǎn)變?yōu)榻宦?lián)的三維框架。 為此，可以輕松調(diào)整各種類型碳點(diǎn)的性質(zhì)，例如形態(tài)、石墨化程度、孔隙率以及衍生碳材料中原子的摻雜。
(3)當(dāng)用作模板或重組誘導(dǎo)劑時(shí)，CQD還可以提供控制材料形貌的新方法。 這些包括在低溫下清除碳點(diǎn)以形成中空結(jié)構(gòu)或通過(guò)在活性氨水中添加碳點(diǎn)來(lái)調(diào)整晶體取向生長(zhǎng)。 因此，可以制備多種不同結(jié)構(gòu)的納米材料，并且CDs還可以在反應(yīng)過(guò)程中與材料偶聯(lián)，協(xié)同提高電物理性能。
(4)CD的一些潛在功能尚未被探索。 CD可能是復(fù)合材料的關(guān)鍵成分，充當(dāng)表面保護(hù)劑、電解質(zhì)中的腐蝕抑制劑和緩沖劑，可以在儲(chǔ)能裝置的重復(fù)充放電循環(huán)過(guò)程中保持穩(wěn)定性。
對(duì)于電催化應(yīng)用：
(1)當(dāng)CD本身作為催化活性材料時(shí)，催化活性主要來(lái)自于結(jié)構(gòu)缺陷和雜原子摻雜。 CD的邊緣和內(nèi)部存在大量的缺陷，此類缺陷形成的一些不飽和碳原子對(duì)周圍碳原子的電子結(jié)構(gòu)有強(qiáng)烈的影響，使得此類缺陷對(duì)電催化反應(yīng)更加活躍。 在碳點(diǎn)的結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中摻雜雜原子還可以提供更多的活性位點(diǎn)以增強(qiáng)催化性能，這一點(diǎn)已被DFT估計(jì)所否認(rèn)。 雜原子可以激活相鄰的碳原子并確定活性位點(diǎn)的固有特征。 不同的雜原子位點(diǎn)可以改變周圍碳原子的電子結(jié)構(gòu)，從而提高中間體的吸附和解離。
(2)由于協(xié)同效應(yīng)，傳統(tǒng)電催化材料與碳點(diǎn)及其衍生物的偶聯(lián)可以為反應(yīng)物吸附提供快速的電子傳遞通道和活性位點(diǎn)。 CDs可以直接作為反應(yīng)過(guò)程中的改性劑，通過(guò)相互排斥與活性材料結(jié)合，從而減少電荷轉(zhuǎn)移，提高活性材料表面的潤(rùn)濕性。
然而，碳點(diǎn)在電物理能源技術(shù)中的實(shí)際應(yīng)用仍處于起步階段，面臨兩大挑戰(zhàn)：一是如何開(kāi)發(fā)大規(guī)模合成路線。 由于儲(chǔ)能裝置的工業(yè)制造需要大量的電極材料，因此這種方法必須是可控的、可重復(fù)的且經(jīng)濟(jì)的，適合大規(guī)模生產(chǎn)。 幸運(yùn)的是，正在進(jìn)行的重大研究和開(kāi)發(fā)已開(kāi)始集中于大規(guī)模制劑，這將允許生產(chǎn) 100 克范圍內(nèi)的產(chǎn)品。 據(jù)報(bào)道，為了預(yù)測(cè)其實(shí)際應(yīng)用的電物理性質(zhì)，具有可設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)（包括結(jié)晶度、尺寸、缺陷和表面狀態(tài)）的均勻碳點(diǎn)是必要的。 另一個(gè)挑戰(zhàn)是制作的 CD 的內(nèi)容。 在大多數(shù)報(bào)告中，合成的碳點(diǎn)是無(wú)機(jī)碳、低聚物、前體和其他雜質(zhì)的混合物。 除了過(guò)濾和透析等傳統(tǒng)手段外，還使用其他手段來(lái)克服純化問(wèn)題。 進(jìn)一步的研究還應(yīng)集中于空間或地形特定成分的分離。
事實(shí)上，盡管碳點(diǎn)還沒(méi)有得到充分利用，但它已經(jīng)在電物理儲(chǔ)能和催化應(yīng)用方面顯示出了巨大的潛力。 有必要繼續(xù)研究和開(kāi)發(fā)可控合成方法，以更好地了解它們作為儲(chǔ)能材料和電催化劑的結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系及其功能機(jī)制。 在這方面，一些碳點(diǎn)材料的原位表征和DFT估計(jì)及其在儲(chǔ)能和電催化過(guò)程中的功能機(jī)制被應(yīng)用于新材料的基礎(chǔ)理解和開(kāi)發(fā)。 毫無(wú)疑問(wèn)，可以預(yù)見(jiàn)的是，CD無(wú)與倫比的顯著特性，在未來(lái)將會(huì)迸發(fā)出更加令人興奮的成果。
論文信息：
奧夫點(diǎn)沙夫
劉羅伊,,徐趙*,*
DOI：10.1002/cey2.134
刊物介紹
該刊是廣州大學(xué)聯(lián)合創(chuàng)辦的旗艦刊物，面向材料、化學(xué)、環(huán)境、物理及交叉學(xué)科，聚焦碳、碳減排、清潔能源等前沿研究領(lǐng)域。 發(fā)表稿件內(nèi)容不僅關(guān)注碳與能源研究的有機(jī)結(jié)合，而且涵蓋前沿研究領(lǐng)域（如光子、電、熱催化下的增碳反應(yīng)、碳消耗減排等）。 ）。 The is to a high-end for at home and , a for , and a tool for .
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