近年来，零维碳点（CDs）的合成和应用研究已发展成为一个充满活力和令人振奋的新研究领域。CDs具有多样而迷人的化学、结构和光学特性，可以在基础研究和应用领域进行开发。特别是，CDs具有优异的电化学活性和易修饰的特性，使其在电催化和电能储存方面具有很好的应用前景。
近日，郑州大学卢思宇教授，中科院理化技术研究所张铁锐研究员，河南工业大学Yuan Liu综述了CDs基电极材料的最新进展，包括合成方法、CDs的物理化学性质、修饰和功能化策略，特别是结构-性能关系。然后讨论了含CDs电极在析氧/析氢、O2还原、CO2还原、电容器和电池中的应用。最后，对CDs基电极研究仍面临的挑战和机遇提出了个人看法。
本文要点
要点1. 实现CDs的可控合成是构建CDs基电极的前提，也是CDs在电化学能量转换和储能方面的实际应用的基础。近年来出现了许多合成CDs的物理和化学方法，通常分为“自上而下”和“自下而上”两种方法。
要点2. CDs的组成和结构随所用的前驱体和合成条件的不同而不同。然而，它们的主要结构特征具有相似性，例如sp2和/或sp3杂化碳核、结构缺陷和表面含氧基团。CDs的电化学性质和CDs基复合材料的易构造性与其独特的结构密切相关。尽管CPDs具有迷人的光学性质，但由于其碳化度有限、电导率低，在电化学领域的应用报道很少。因此，电化学中使用的CDs仅限于GQDs、CQDs和CNDs。然后总结了CDs的改性的研究进展，主要包括杂原子掺杂（单一元素掺杂和多元掺杂）和CDs基纳米杂化材料。要点3. 电化学能量转换和储存装置利用氧化还原反应，如水分解中的析氢和放氧反应(HER和OER)，燃料电池或金属-空气电池中的O2还原反应(ORR)，以及二氧化碳还原反应(CO2RR)来储存化学键中的电能或产生高价值的产品。水电解槽、燃料电池、超级电容器和电池等能源转换设备的规模和盈利能力，取决于高效、耐用和低价电催化剂的开发。CDs由于其优越的物理化学性质，在上述应用中具有构建高性能电催化剂的许多优点，近年来在这方面取得了很大进展。要点4. 为了满足对能源和可持续实践日益增长的需求，现代社会需要迅速从化石燃料能源转向清洁可再生能源技术。此外，电动汽车和便携式电子产品的日益普及产生了对具有高能量密度和长期稳定性的电化学储能装置的需求。超级电容器和充电电池因其安全、低价和高效率而成为这些应用的关键储能系统。电极材料的效率对这些器件的整体性能有很大影响。CDs由于其独特的结构和物理化学特性，被认为是超级电容器和电池的理想电极候选材料。作者总结CDs在这一领域的最新研究，突出其在这类器件中的优势。要点5. 作者指出，但对CDs基电极材料的研究仍处于初级阶段。其未来发展仍面临一下挑战和机遇：i）CDs的大小、结晶度、缺陷、掺杂剂和官能团等物理化学性质对其电化学活性有很大的影响；ii）揭示CDs及其复合材料中的活性中心，并研究其在电化学过程中的演化，是值得关注的问题；iii）由于operando表征技术的局限性，CDs在不同电化学体系中的作用还需要进一步研究；iv）复合材料界面工程、组装行为以及CDs与其他组分结合的协同效应还需要更系统、更深入的研究；v）大量研究证实，CDs在增加超级电容器的电容、减小充放电过程中电极的体积变化、加速离子和电子的传输等方面具有巨大的潜力；vi）将CDs基材料应用于其他重要的电催化转化过程，如将氮气电催化还原为氨、甲醇或乙醇在甲醇或乙醇燃料电池中的催化氧化等，将不可避免地成为未来研究的重点。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
