【前言】

“納米結(jié)構(gòu)”（Nanostructures）通常是指尺寸在100nm以下的微小結(jié)構(gòu)。也就是以納米尺度的物質(zhì)單元為基礎(chǔ)，按一定規(guī)律構(gòu)筑或組裝一種新的體系。它包括一維的、二維的、三維的體系。二維納米材料具有獨(dú)特的納米片結(jié)構(gòu)、大的表面積和非凡的物理化學(xué)性能，引起了科研工作者極大的興趣。超薄的二維納米材料是一類新興的納米材料類別，其具有片狀結(jié)構(gòu)，水平尺寸超過100nm或幾個(gè)微米甚至更大，但是厚度只有單個(gè)或幾個(gè)原子厚（典型厚度小于5nm）。無定形或石墨化“碳納米片”是一類很有前景的二維納米結(jié)構(gòu)材料，下面對(duì)最新發(fā)表的“碳納米片”（包括單一組份和復(fù)合結(jié)構(gòu)）的可持續(xù)制備和能源環(huán)境應(yīng)用進(jìn)行導(dǎo)讀總結(jié)。

（一）碳納米片+超級(jí)電容器

論文1：3D類石墨烯多孔碳納米片-高性能水系鋅離子電容器【1】

福州大學(xué)Yingshu Wang等人在 Carbon 上發(fā)表題為“3D graphene-like oxygen and sulfur-doped porous carbon nanosheets with multilevel ion channels for high-performance aqueous Zn-ion storage”的論文，研究提出了一種金屬氧化物空間限制策略，以低成本芳烴為前驅(qū)體，構(gòu)建摻雜O和S雜原子的3D類石墨烯多孔碳納米片 （3DPC）。發(fā)現(xiàn)所獲得的 3DPC 由微孔、中孔和大孔組成，并進(jìn)一步提供了 2813m2?g-1的高比表面積，總孔體積為1.82 cm3 g-1。具體來說，這種定義明確的 3DPC 分級(jí)孔隙率與豐富的 O 和 S 雜原子相結(jié)合，能夠提供足夠的多級(jí)離子傳輸通道和大的可訪問表面位點(diǎn)來捕獲 Zn 2+離子。作為驗(yàn)證證明，使用3DPC正極組裝的水性ZIHC在0.5Ag-1下表現(xiàn)出194 mAh g-1的理想容量，在 30 A g-1下具有 53% 的優(yōu)異倍率能力在 15000 次循環(huán)后具有超過 88% 的出色循環(huán)穩(wěn)定性。此外，在準(zhǔn)固態(tài)ZIHC器件的各種苛刻彎曲狀態(tài)下，3DPC正極的顯著電化學(xué)性能可以得到很好的保留，突出了在柔性和可穿戴儲(chǔ)能方面的廣闊應(yīng)用前景。

3DPC結(jié)構(gòu)表征

3DPC性能測試

論文2：石墨化碳點(diǎn)（GCDs）修飾的三維活性炭納米片（3D ACNs）-電容器【2】

近日，廣東石油化工大學(xué)Zesheng Li等人在國際能源期刊《Journal of Energy Storage》（影響因子8.907）以”Three-dimensional activated carbon nanosheets modified by graphitized carbon dots： One-step alkali pyrolysis preparation and supercapacitor applications”為題，發(fā)表研究型論文。本文提出了石墨化碳點(diǎn)（GCDs）修飾的三維活性炭納米片（3D ACNs）作為一種有前景的超級(jí)電容器電極材料。以Span 20有機(jī)分子前體為原料，在堿（KOH）的輔助下，采用一步熱解的方法制備了三維ACN /GCDs。采用XRD、SEM/TEM和BET技術(shù)研究了產(chǎn)物的晶體結(jié)構(gòu)、形貌和孔隙結(jié)構(gòu)。用CV和CDC技術(shù)研究了電極的電容性能。三維ACNs/GCDs產(chǎn)品具有良好的三維多孔結(jié)構(gòu)和高比表面積，達(dá)1328 m2 g?1。三維ACNs/GCDs電極材料的電容性能令人滿意，在三電極測試系統(tǒng)中具有較高的比電容（1A g?1時(shí)為202.9 F g?1）和良好的速率性能（5A g?1時(shí)為144.2 F g?1），在雙電極對(duì)稱超級(jí)電容器中具有較長的循環(huán)穩(wěn)定性（2000或6000循環(huán)后電容保留率為93.2%或87.7%）。

3D ACNs合成示意圖和結(jié)構(gòu)表征

3D ACNs性能測試

（二）碳納米片+催化型電池

論文3：P–N共摻雜類石墨烯碳納米片與Nano-CePO4偶聯(lián)提高鋰氧電池性能【3】

開發(fā)高效且堅(jiān)固的陰極催化劑對(duì)于Li-O2電池（LOB）的商業(yè)化至關(guān)重要。在這里，一個(gè)精心設(shè)計(jì)的CePO4@N-P-CNSs報(bào)道了一種新型的“原位衍生”偶聯(lián)策略，通過將N-P-CNS中P-C位點(diǎn)的P原子原位轉(zhuǎn)化為CePO4，將富含P-N位點(diǎn)的N，P共摻雜類石墨烯碳納米片（N-P-CNSs）與納米CePO4偶聯(lián)，從而制備LOBs的陰極催化劑。這個(gè)CePO4@N-P-CNSs與商用Pt/C-RuO2相比，表現(xiàn)出優(yōu)異的雙功能ORR/OER活性。此外，具有CePO4@N-P-CNSs因?yàn)殛帢O催化劑分別提供0.67 V（vs. Li/Li+）的低充電過電壓、在100 mA g?1下29774 mAh g?1的高放電容量和415次循環(huán)的長循環(huán)穩(wěn)定性。顯著增強(qiáng)的LOB性能歸因于原位衍生的CePO4納米顆粒和N-P-CNS中的P-N位點(diǎn)，這有助于提高雙功能ORR/OER活性，促進(jìn)Li2O2的快速有效分解并抑制Li2CO3的形成。這項(xiàng)工作可能為設(shè)計(jì)高效、耐用和成本效益高的LOB陰極催化劑提供新的靈感。

CePO4@N-P-CNSs結(jié)構(gòu)表征

CePO4@N-P-CNSs電化學(xué)性能

性能提升機(jī)理：（a）N-P-CNS和（b）CePO4@N-P-CNS陰極在原始狀態(tài)/放電/充電狀態(tài)下的LOB的奈奎斯特圖；（c）CePO4@N-P-CNS陰極在放電/充電過程中Li2O2的形成和分解示意圖

論文4：碳納米管接枝多孔碳納米片（Zn單原子+ Co納米顆粒）用于高性能鋰硫電池【4】

鋰硫（Li-S）電池的電化學(xué)性能受到緩慢的硫氧化還原動(dòng)力學(xué)和多硫化物（LiPSs）的穿梭效應(yīng)的嚴(yán)重阻礙。為此，合理開發(fā)了一種由Co納米顆粒和單原子（SA）Zn共植入接枝碳納米管（Co/SA-Zn@N-C/CNTs）的氮摻雜多孔碳納米片中的集成復(fù)合催化劑。實(shí)驗(yàn)和理論研究表明，Co和原子Zn-N4的協(xié)同雙活性位點(diǎn)具有最佳電荷再分配的一部分不僅強(qiáng)烈限制了LiPS，而且還通過降低Li的能量勢壘有效地催化其轉(zhuǎn)換反應(yīng)Li2S2至 Li2S，而N摻雜的多孔碳接枝碳納米管能夠提供更多地活性位點(diǎn)，使碳納米管基硫正極的Li-S電池在 0.2 C 下具有1302 mAh g?1的高可逆容量，在 1 C倍率下 800 次循環(huán)中0.033% 的低容量衰減率。此外，在 0.2 C以及硫負(fù)荷為 5.1 mg cm?2的條件下可以實(shí)現(xiàn)4.5 mAh cm?2的高面積容量。目前的工作可以為Li-S電池的高性能硫基正極的設(shè)計(jì)提供新的思路。

Co/SA-Zn@N-C/CNTs合成示意圖和結(jié)構(gòu)表征

Co/SA-Zn@N-C/CNTs電化學(xué)性能

（三）碳納米片+環(huán)境高級(jí)氧化

論文5：2D MOF衍生的鈷和氮摻雜的超薄富氧碳納米片用于高效芬頓樣催化【5】

開發(fā)用于過氧化一硫酸鹽（PMS）活化的高效催化劑是高級(jí)氧化工藝（AOPs）技術(shù)中的一個(gè)重要問題。在這項(xiàng)工作中，成功地制備了源自二維金屬有機(jī)框架（MOF）的鈷和氮摻雜的超薄富氧碳納米片。所制備的催化劑能有效降解四環(huán)素（TC），反應(yīng)常數(shù)高（0.088min?1）。 淬火試驗(yàn)、電子順磁共振（EPR）技術(shù)和電化學(xué)試驗(yàn)表明，自由基途徑在降解過程中起次要作用，基于1O2的非自由基途徑主導(dǎo)反應(yīng)。實(shí)驗(yàn)和密度泛函理論（DFT）研究表明，碳結(jié)構(gòu)上的Co-N位點(diǎn)是主要的活性位點(diǎn)，靠近Co-N位點(diǎn)的氧官能團(tuán)可以顯著影響局部電子結(jié)構(gòu)及其與PMS分子的相互作用，反應(yīng)常數(shù)和羥基含量之間的高度相關(guān)性可能是因?yàn)榭拷u基的Co-N位點(diǎn)具有中等的PMS吸附能。實(shí)驗(yàn)和理論分析表明，Co-N位點(diǎn)附近的氧官能團(tuán)可以改變Co-N位點(diǎn)的電子性質(zhì)，并影響與PMS分子的相互作用，并且附近帶有羥基的Co-N位點(diǎn)對(duì)PMS具有中等的吸附能，這最有利于活化過程。此外，所制備的催化劑可以在各種復(fù)雜的水條件下有效降解四環(huán)素，具有廣闊的應(yīng)用前景。這項(xiàng)工作為開發(fā)高效的類芬頓催化劑提供了新的策略，并擴(kuò)展了對(duì)調(diào)節(jié)局部電子結(jié)構(gòu)以優(yōu)化催化性能的見解，這也可能啟發(fā)其他催化過程的合理設(shè)計(jì)。

2D Co-N-C合成示意圖和結(jié)構(gòu)表征

2D Co-N-C的PMS 活化機(jī)理

論文6：Mn-MOFs和g-C3N4衍生的MnOx@N摻雜的碳納米片用于PMS活化【6】

從錳-金屬有機(jī)框架（MOFs）制造雜原子摻雜的金屬-碳混合體用于過硫酸鹽（PMS）活化的報(bào)道很少。在這項(xiàng)工作中，使用二維錳-1，4苯二甲酸基MOFs（Mn-MOFs）和不同比例的石墨氮化碳（g-C3N4，額外的N源和碳源）制備了新型MnOx@N摻雜的碳（MnOx@NC）納米片，以激活PMS用于去除磺胺甲惡唑（SMX）。在碳化過程中，Mn-N配位引起的極化差異使C成為電子貧乏的中心，Mn成為電子豐富的中心，從而為PMS的活化提供了更多的Mn（II）。得益于最高的Mn（II）含量、最均勻和暴露的MnOx活性位點(diǎn)、豐富的N活性物種和豐富的缺陷位點(diǎn)，MnOx@NC-20對(duì)SMX表現(xiàn)出了出色的降解（5分鐘內(nèi)72.9%）和礦化性能（60分鐘內(nèi)47.40%）。

非自由基和自由基過程在MnOx@NC-20/PMS/SMX系統(tǒng)中共同發(fā)揮作用，其中單線態(tài)氧（1O2）在SMX的降解中占主導(dǎo)地位。摻雜N的碳不僅表現(xiàn)出對(duì)氧化錳的拖曳和保護(hù)作用，而且還為PMS和污染物提供了吸附點(diǎn)，從而減少了它們的遷移距離。此外，有機(jī)基質(zhì)的電子可以被貧電子的碳層捕獲，然后傳輸?shù)礁浑娮拥腗n中心，從而提高PMS的利用效率和Mn的氧化還原。本研究提供了一種簡便的優(yōu)化方法來制備具有更好的穩(wěn)定性和催化性能的MOFs衍生的碳催化劑。

MnOx@NC納米片結(jié)構(gòu)表征

MnOx@NC納米片的PMS 活化機(jī)理

【總結(jié)】

隨著全球能源危機(jī)和環(huán)境污染持續(xù)加劇，可再生能源和環(huán)境保護(hù)的研究和應(yīng)用受到廣泛關(guān)注。二維碳納米片因其獨(dú)特的微觀形態(tài)，化學(xué)穩(wěn)定性和高比表面積而在能量儲(chǔ)存和轉(zhuǎn)換、環(huán)境凈化等方面引起了廣泛的研究興趣，如超級(jí)電容器、鋰硫電池、高級(jí)氧化等。合理設(shè)計(jì)和容易的可擴(kuò)展合成具有高比表面積，低成本和超薄納米片結(jié)構(gòu)的二維碳納米片具有重要意義。制造了富含缺陷的多孔碳納米片，以提供更多的邊緣活性位點(diǎn)用于接枝非金屬（B、N、P、S）原子可以引發(fā)新的催化功能；將過渡金屬（Fe、Co、Ni）封裝在非金屬摻雜的碳納米片中可以有效調(diào)節(jié)金屬納米顆粒與碳納米片之間的電子結(jié)構(gòu)及相互作用，進(jìn)而產(chǎn)生更多的催化活性位。

審核編輯 ：李倩