碳点的制备及电化学能源应用进展

doi:10.7503/cjcu20220733

摘要/Abstract

摘要：

碳点是零维纳米碳材料的一种典型代表, 由碳原子 sp²/ sp³杂化构成且尺寸通常小于10 nm. 碳点独特的尺寸效应赋予其丰富的边缘活性位点和易于功能化调控等特性, 在电催化、能源存储与转化等领域表现出广阔的应用前景. 基于此, 揭示碳点的形成机制及阐明其结构与性能的基本规律, 以指导碳点的合成并获得优异的催化性能具有重要意义. 本文在介绍碳点制备及调控策略的基础上, 结合理论研究分析了碳点类催化材料活性的来源, 并着重评述了碳点在电化学领域的最新应用进展, 探讨了功能碳点材料未来发展的机遇与挑战.

关键词: 碳点, 电化学, 能源存储与转化, 理论计算

Abstract:

As a typical zero-dimensional carbon material， carbon dots （CDs） with particle size smaller than 10 nm are composed by sp²/ sp³ hybridization of carbon atoms. Owing to their unique physicochemical structures， CDs have many features， such as rich edge sites and accessibility for functional modification， which endow themselves wide applications in electrocatalysis and energy storage/conversion. Based on this， it is of great significance to reveal the formation mechanism of CDs and clarify the structure-property relationship， which is helpful in guiding the synthesis of CDs and then obtain excellent catalytic performance. Therefore， based on the introduction of preparation and regulation strategies of CDs， this paper analyzes the activity origin of CDs-based catalytic materials by combining with theoretical investigations and more importantly， reviews the recent progress of CDs applications in electro- chemistry and discusses the opportunities and challenges for the future development of functional CDs materials.

Key words: Carbon dots, Electrochemistry, Energy storage and conversion, Theoretical calculation

中图分类号:

O646

TrendMD:

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图/表 7

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Fig.4 Hydrogen adsorption energy at different sites of Ru55(A) [ 44], co⁃doped Ru system(B), the calculated dis⁃sociation energy( Ed) of water at different adsorption sites on the Ru (002), RuCo (002) and RuCo@GNO surfaces(C) [ 45], optimized structures of the intermediates formed in each step of the overall associative ORR sequence on MnPc/GQD: OOH *(D), O *(E), OH *(F), and H2O(G) [ 46]（A） Copyright 2019， Elsevier；（B， C） Copyright 2020， the Royal Society of Chemistry；（D—G） Copyright 2018， the Royal Society of Chemistry.

Fig.5 Schematic illustration of the synthesis of the Ru@CQDs electrocatalyst [ 26](A), schematic illustration of the preparation of N⁃GQDs/Co3O4 composite material and its use as a bifunctional electrocatalyst for OER and ORR [ 65](B), commercial Pt/C on a GC electrode in N2⁃saturated 0.1 mol/L KOH, O2⁃saturated 0.1 mol/L KOH, and O2⁃saturated 3 mol/L CH3OH solutions [ 70](C), energy pathways fot electrochemical reduction of coupled CH2+CO to CH3CH2OH and C2H4 at 0 V( vs. SHE)(D), relaxed configurations for selected intermediate states with different numbers of hydrogen atoms introduced(E) [ 74]（A） Copyright 2018， John Wiley & Sons， Inc.；（B） Copyright 2017， Elsevier；（C） Copyright 2011， American Chemical Society；（D， E） Copyright 2017， American Chemical Society.

Fig.6 Scheme showing the preparation of a porous carbon from carbon dots and a PAM hydrogel(A), electrochemical performances of NPOCD/HPC and free⁃HPC in a three⁃electrode system: CV curves at a scan rate of 10 mV/s in alkaline(B), acidic(C) and neutral(D) aqueous solutions [ 79]Copyright 2019， John Wiley & Sons， Inc.

Fig.7 Possible growth mechanism for the CDs and subsequently synthesized N⁃PCFs [ 80](A), schematic representation of Mn3O4 and the Mn3O4/CDs composite [ 81](B), the procedure for synthesis of PF⁃GQD@SiNP [ 82](C), schematic illustration of the fabrication process for the N⁃carbon dots pillared GO blocks(N⁃CDGB) [ 83](D)（A） Copyright 2019， American Chemical Society；（B） Copyright 2015， the Royal Society of Chemistry；（C） Copyright 2016， Elsevier；（D） Copyright 2018， John Wiley & Sons， Inc.

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