上海大學(xué)張久俊院士|趙玉峰教授Carbon Energy綜述：碳點(diǎn)及其復(fù)合材料在電化學(xué)能源技術(shù)中的應(yīng)用
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近年來，電池、燃料電池、超級(jí)電容器（SCs）和H2O/CO2電解以及太陽能、風(fēng)能、地?zé)?、海洋等清潔能源已發(fā)展成為高效、可靠、實(shí)用的電化學(xué)儲(chǔ)能和轉(zhuǎn)換技術(shù)。然而，這些技術(shù)中使用的電極材料仍需進(jìn)一步改進(jìn)，以探索新材料來降低成本并實(shí)現(xiàn)更高的性能。在這方面，具有不同結(jié)構(gòu)和形貌的碳-基材料由于其豐度高、成本低、導(dǎo)電率高、化學(xué)/熱穩(wěn)定性高、比表面積大等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛探索和應(yīng)用于電化學(xué)能源技術(shù)。
自碳納米粒子（CNPs）產(chǎn)生以來，出現(xiàn)了各種結(jié)構(gòu)和形態(tài)的碳點(diǎn)（CDs），包括碳量子點(diǎn)（CQDs）、石墨烯量子點(diǎn)（GQDs）、碳納米點(diǎn)（CNDs）、聚合物點(diǎn)（PDs）和碳化聚合物點(diǎn)（CPDs）。此外，它們還被發(fā)現(xiàn)具有獨(dú)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、豐富的表面官能團(tuán)、低毒性。CDs的適用性為催化、生物醫(yī)學(xué)、傳感和光電等領(lǐng)域的快速發(fā)展鋪平了道路。隨著電化學(xué)儲(chǔ)能和轉(zhuǎn)換技術(shù)的發(fā)展，CDs也逐步在該領(lǐng)域得到重視。
最近有報(bào)道提出了一些可進(jìn)行大規(guī)模且具有成本效益的CDs合成策略，并被證明在各種實(shí)際應(yīng)用中具有潛在價(jià)值。在CDs的電化學(xué)用途方面，它們具有一些優(yōu)異性質(zhì)，如導(dǎo)電性、多的電化學(xué)活性位點(diǎn)、大的表面積、與各種材料的兼容性、強(qiáng)的可塑性和環(huán)境穩(wěn)定性。多功能CDs還可以與其他活性材料（如金屬氧化物和導(dǎo)電聚合物）結(jié)合，以用作為電極材料并顯示出增強(qiáng)的比容量、循環(huán)穩(wěn)定性和倍率性能。此外，將異質(zhì)原子摻雜劑摻入到CDs，可以提高金屬-空氣電池、燃料電池和H2O/CO2電解中氧氣還原反應(yīng)（ORR）、氧氣析出反應(yīng)（OER）/氫氣析出反應(yīng)（HER）的電導(dǎo)率和電催化活性。為了進(jìn)一步提高電催化性能，可通過改變反應(yīng)條件來控制CDs表面官能團(tuán)的尺寸和嵌入狀態(tài)。
在電化學(xué)儲(chǔ)能和催化裝置中使用CDs的優(yōu)勢主要如下：1）CDs具有一些吸引人的特性，可以為導(dǎo)電、異質(zhì)原子摻雜和表面官能團(tuán)改性提供電子-空穴對(duì)，以提高電化學(xué)活性和穩(wěn)定性，并提供具有良好潤濕性的大表面積。2）CDs可以作為模板、誘導(dǎo)劑或前體來制備具有獨(dú)特結(jié)構(gòu)的材料。例如，低成本的CDs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）CDs可以集成到不同的系統(tǒng)。CDs可以直接添加到合成過程中，也可以使用原位法（水/溶劑熱、微波輔助合成和高溫碳化）、電泳沉積（EPD）和電化學(xué)沉積生成。
目前，CDs是能源材料領(lǐng)域最熱門的研究之一。然而，需要對(duì)該領(lǐng)域進(jìn)行更加深入的探索，以促進(jìn)對(duì)CDs的進(jìn)一步理解。在本文中，上海大學(xué)張久俊院士、趙玉峰教授從CDs的分類、合成、表征、功能機(jī)制和性能驗(yàn)證/優(yōu)化等方面全面回顧了CDs研發(fā)的最新進(jìn)展。特別地，強(qiáng)調(diào)了CDs在材料制備和電化學(xué)性能中的作用。為了促進(jìn)進(jìn)一步的研發(fā)，總結(jié)了與CDs及其復(fù)合材料相關(guān)的幾個(gè)重要方面，并分析討論了實(shí)際應(yīng)用中的技術(shù)挑戰(zhàn)和可能的發(fā)展前景。
文章以題為“A review of carbon dots and their composite materials for electrochemical energy technologies”發(fā)表在Carbon Energy上。
論文標(biāo)題：
A review of carbon dots and their composite materials for electrochemical energy technologies論文網(wǎng)址：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/cey2.134DOI:10.1002/cey2.134