本文作者：漂泊

李玉良教授，中国科学院化学研究所研究员，中国科学院院士。李玉良教授在碳材料研究领域做出了卓越的贡献。他发展了一系列合成具有多维、高有序、大尺寸纳米结构，同时具有一定光电活性的碳材料的合成方法。2010年，李玉良课题组首次化学合成了碳的新同素异形体——石墨炔，开拓了碳科学研究的新领域，从石墨炔特殊的化学结构和电子结构出发，在理论上和实验上成功解决了该领域的系列基础科学问题，并合作拓展了石墨炔在催化、能源、电化学驱动器以及光电性质等方面的研究。此外，他还建立了无机/有机半导体异质结共生长新方法，解决了纳米科学中异质结构相容生长的关键问题，成为国际上生长低维异质结构的经典方法。

经历

• 1972-1975年 北京化工学院基本有机合成专业学习
• 1975-1992年 中国科学院化学研究所助理研究员
• 1992-1996年 中国科学院化学研究所副研究员
• 1988-1989年 荷兰阿姆斯特丹大学有机化学实验室访问学者
• 1998-1999年 香港大学化学系配位化学，访问教授
• 1999-2000年 美国圣母大学放射化学实验室光化学和物理实验室，访问教授
• 1996年－至今 中国科学院化学研究所研究员

所获荣誉

• 1999年获得中国科学院自然科学二等奖
• 2002年获得国家自然科学二等奖
• 2004年获北京市科学技术奖（自然科学）一等奖
• 2005年获得国家自然科学二等奖
• 2017年获得全国创新争先奖

主要研究工作及学术成就

1.石墨炔的可控合成

石墨炔是新发现的一类碳的同素异形体。它也是一种新兴的二维材料。2010年，李玉良教授课题组首先在铜表面上合成了具有本征带隙的、sp和sp²杂化的二维石墨炔，开创了碳材料的新领域。

石墨炔具有本征带隙，而且可以通过调控厚度及形貌来调整带隙（从0.45-1.3eV）二维平面高度共轭特点赋予了它优异的电荷传输和载流子迁移能力。同时，石墨炔还具有平面内多孔结构，通过对前驱体的结构进行调控可以实现对孔尺寸的精确控制。物理化学性质十分优异，而且与传统的碳材料相比，性质具差异巨大，并且在催化、储能等领域有着非常重要的应用前景。

李玉良课题组以铜箔为生长衬底和催化剂，六炔基苯为单体，采用交叉偶联反应成功制得了石墨炔薄膜。这是利用湿化学方法合成石墨炔的大面积薄膜的首次成功尝试。该薄膜为多层结构，覆盖了整块铜箔表面。利用该薄膜所制备的器件显示其室温下的电导率为2.516 × 10⁻⁴ S m⁻¹ ，具有半导体的明显特征。^[1]

2.石墨炔在催化领域的应用

由于石墨炔具有非常多的活性位点，因此非常容易实现杂原子或特定功能官能团的修饰，这可以实现对石墨炔能带结构以及相关性质的调控，这对于催化而言具有非常重大的意义。石墨炔的孔洞结构以及富炔碳骨架可以很好的捕获和锚定金属单原子，这种负载方式可以很好的实现对具有催化活性的金属原子的分散，提高其催化效率，同时也能减少金属的用量，对于贵金属催化剂而言具有重要的价值。

李玉良课题组利用石墨炔成功实现了对零价铁原子和镍原子的负载，制备了大面积零价金属单原子催化剂。这一系列的单原子催化剂在电催化析氢反应中具有很好的催化效果，其电催化活性和使用寿命均明显优于常规的催化剂，这一成果为石墨炔材料在催化领域的应用提供了新思路。^[2-5]

3.石墨炔在储能领域的应用

石墨炔材料在储能领域也有非常重要的用途。在锂离子电池领域，石墨炔材料原子级的孔洞对于锂离子而言具有很好的选择透过性。对于锂硫电池而言，运用石墨炔材料有望解决多硫化物的穿梭效应。石墨炔还可以实现原位生长硅或者其他负极氧化物材料，石墨炔的网状架构非常有利于电子和离子的快速传输。此外，它还可以支撑和稳定电极界面。此外，石墨炔还可以用于钙钛矿太阳能电池的掺杂。例如，李玉良课题组将石墨炔掺杂到 FA_0.85MA_0.15Pb(I_0.85Br_0.15)₃钙钛矿材料当中，钙钛矿与石墨炔材料形成的异质结提供了一个实现激子分离和光电子激发及转移的额外通道，提高光电转化效率。该钙钛矿太阳能电池就实现了20.54%的光电转化效率。该方法也为钙钛矿太阳能电池的发展提供了新思路——通过构建异质结来实现激子分离和光电子激发及转移。^[6-7]

代表性论文

• [1] Li G, Li Y, Liu H, et al. Architecture of graphdiyne nanoscale films[J]. Chemical Communications, 2010, 46(19): 3256-3258.
• [2] Xue Y, Huang B, Yi Y, et al. Anchoring zero valence single atoms of nickel and iron on graphdiyne for hydrogen evolution[J]. Nature communications, 2018, 9(1): 1460.
• [3] Zhao Y, Wan J, Yao H, et al. Few-layer graphdiyne doped with sp-hybridized nitrogen atoms at acetylenic sites for oxygen reduction electrocatalysis[J]. Nature chemistry, 2018, 10(9): 924.
• [4] Hui L, Xue Y, Huang B, et al. Overall water splitting by graphdiyne-exfoliated and-sandwiched layered double-hydroxide nanosheet arrays[J]. Nature communications, 2018, 9(1): 5309.
• [5] Lv Q, Si W, He J, et al. Selectively nitrogen-doped carbon materials as superior metal-free catalysts for oxygen reduction[J]. Nature communications, 2018, 9(1): 3376.
• [6] Shang H, Zuo Z, Yu L, et al. Low‐Temperature Growth of All‐Carbon Graphdiyne on a Silicon Anode for High‐Performance Lithium‐Ion Batteries[J]. Advanced Materials, 2018, 30(27): 1801459.
• [7] Li H, Zhang R, Li Y, et al. Graphdiyne‐Based Bulk Heterojunction for Efficient and Moisture‐Stable Planar Perovskite Solar Cells[J]. Advanced Energy Materials, 2018, 8(30): 1802012.

参考文献

• 李玉良—中国科学院化学研究所

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