中國科學院化學研究所李玉良院士課題組主要致力于以無機化學為基礎的交叉科學研究，近年來，課題組代表性研究成果包括：
1）首次合成了具有本征帶隙sp雜化的二維碳石墨炔,為碳材料家族貢獻了一個重要的新成員，發現在電學、催化、能源、力學等方面優異性能，引領了國際上該領域的研究；
2）建立了無機/有機半導體異質結共生長方法學，解決了納米科學中異質結構相容生長的關鍵問題，成為國際上生長低維異質結構的經典方法；
3）率先在國際上建立了富勒烯低維結構生長方法學，實現了大面積、高有序富勒烯納米管的制備，開辟了富勒烯研究的新途徑。
下面，我們簡要介紹李玉良院士課題組2018年部分重要成果，供大家交流學習（僅限于通訊作者文章，以online時間為準）。
當石墨炔遇到催化
石墨炔是一種新型碳材料，由炔鍵和苯環連接而成，具有特殊的sp雜化碳原子。2018年，李玉良院士團隊及其合作者將其運用到催化領域，表現出優異催化性能。
1.石墨炔構建原子催化新理念丨Nature Commun.
過渡金屬原子催化劑是催化領域的研究前沿，目前過渡金屬單原子催化劑主要是以團簇的形式存在，價態不能確定或不是整數價態。近幾年來科學家們一直期待零價過渡金屬原子催化劑的出現，因此，制備零價過渡金屬原子催化劑是催化領域的巨大挑戰。
2018年4月，通過石墨炔的炔鍵、超大的表面和孔洞結構與過渡金屬催化原子之間的協同作用，在石墨炔上成功負載了過渡金屬Ni和Fe等零價原子并實現了其表面活性組分的高度分散，解決了傳統載體上作為團簇存在的單原子催化劑易遷移、聚集和電荷轉移不穩定等關鍵問題。石墨炔負載的零價過渡金屬催化劑在催化過程中展示了高的穩定性，催化劑中金屬含量僅有傳統單原子催化劑的萬分之一，但催化性能更為優異，過電位0.2 V時，該催化劑質量活性是Pt/C（20%）的34.6倍，該鐵和鎳催化單位面積最大活性位點數分別是(2.56×1016)和(2.38×1016)，分別是Pt(111)(1.5×1015)的17倍和15.8倍，并在酸體系下顯示了超高的穩定性。原子催化劑的出現為發展新型高效催化劑開拓了新的方向。
自然雜志副主編及同行高度評價：我們十分贊賞您將單個鎳原子錨定在石墨炔載體上的方法，這具有巨大潛在價值......；Xue等人將Ni(0)/Fe(0)原子負載到石墨炔框架中，制備了新的原子催化劑具有很強挑戰性......；十分有意義的是，在沒有任何官能團的情況下，石墨炔高效地錨定Ni和Fe原子......；富含三鍵的石墨炔錨定鎳鐵原子顯示高效的析氫電催化活性，為多相催化和電催化應用開發更多的原子催化劑提供了嶄新理念。
參考文獻：
YuruiXue, Yuliang Li et al. Anchoring zero valence single atoms of nickel and ironon graphdiyne for hydrogen evolution. Nature Communications 2018, 9, 1460.
https://www.nature.com/articles/s41467-018-03896-4
2.新型氮摻雜石墨炔實現ORR新高度丨Nature Chemistry
ORR是能源儲存和和轉化領域的重點反應之一，其常用的電催化劑以Pt基材料為主，活性高但是價格昂貴，資源稀缺。大量研究證明，氮摻雜的碳基材料是替代Pt基電催化劑的有力競爭對手。氮摻雜構型有很多不同的形式，包括吡啶氮、亞胺氮、吡咯氮、氨基氮、腈基氮、石墨氮和氧化氮等。一般認為，吡啶氮（pyri-N）的存在創造了ORR活性位點。
2018年8月，中國科學院過程工程研究所王丹研究員團隊與中國科學院化學研究所李玉良院士、北京師范大學朱嘉團隊等合作，報道了一種sp雜化的氮摻雜少層石墨炔，實現了全方位的高效ORR電催化性能。研究表明，這種sp-N摻雜的石墨炔在ORR測試中，無論是峰值電勢、半波電勢還是電路密度，都有優異的效果。在堿性條件下，其活性可媲美商業Pt/C,且動力學更快；在酸性條件下，活性較商業Pt/C略遜一籌，但是已經完勝其他非金屬材料。DFT計算表明，sp-N比pyri-N 和grap-N具有更大的負電荷密度，從而導致相鄰C原子具有更大的正電荷密度，有利于O2的吸附和活化，使其電子更易轉移到催化劑表面，最終實現更高的催化活性。
參考文獻：
YasongZhao, Jia Zhu, Nailiang Yang, Yuliang Li, Dan Wang et al. Few-layer graphdiynedoped with sp-hybridized nitrogen atoms at acetylenic sites for oxygenreduction electrocatalysis. Nature Chemistry 2018.
https://www.nature.com/articles/s41557-018-0100-1
3.石墨炔助力電催化全解水丨Nature Commun.
開發高效且工業實用的電催化材料依然存在諸多挑戰。中科院化學所李玉良院士團隊及其合作者在泡沫鎳上生長了一種三明治結構的石墨炔-LDH復合納米片雙功能電催化劑，同時具有優異的OER和HER性能。研究表明，石墨炔的引入增加了催化活性位點，并抑制了腐蝕行為，從而導致OER和HER以及全解水性能的大幅提升。
參考文獻：
anHui, Yurui Xue, Dianzeng Jia, Yuliang Li et al. Overall water splitting bygraphdiyne-exfoliated and -sandwiched layered double-hydroxide nanosheetarrays. Nature Communications 2018, 9, 5309.
https://www.nature.com/articles/s41467-018-07790-x
4. N摻雜氫化石墨炔催化ORR丨Nature Commun.
N摻雜C材料在ORR中是一種極具潛力的非金屬催化材料，但是常規N摻雜常常發生在C材料的邊緣或缺陷位點。李玉良院士課題組及其合作者以氫代石墨炔作為起始材料，利用其苯環3個C原子氫化后作為更容易的N摻雜位點，成功在骨架網絡中引入了大量N原子。所得N雜石墨炔在堿性條件下ORR反應中表現出優于Pt/C的反應性能，甚至在酸性條件下也與Pt/C性能相當。
參考文獻：
QingLv, Changshui Huang*, Yuliang Li*, et al. Selectively nitrogen-doped carbonmaterials as superior metal-free catalysts for oxygen reduction
https://www.nature.com/articles/s41467-018-05878-y
當石墨炔遇到鈣鈦礦
尋找合適的材料，以確保高穩定性、高效率兼顧的鈣鈦礦太陽能電池，是推動鈣鈦礦商業化的關鍵問題。2018年，李玉良院士課題組及其合作者將石墨炔引入到鈣鈦礦太陽能電池體系中，取得了一系列新突破！
5.石墨炔提高鈣鈦礦太陽能電池的水穩定性丨Adv. Energy Mater.
2018年9月，孟慶波和李玉良課題組將Graphdiyne（GDY）引入到鈣鈦礦膜中，以構建用于平面鈣鈦礦太陽能電池（PSC）的鈣鈦礦/石墨烯（PVSK GDY）本體異質結。該PVSK/GDY異質結可以提供額外的傳輸通道以促進激子分離并促進光生電子提取，進而提高光生電流。同時，GDY的引入可以鈍化晶界和界面以有效地抑制載流子復合，獲得更高的填充因子。最終實現高達20.54％的效率。此外，這種PVSK/GDY異質結的鈣鈦礦膜有優異的水穩定性。
參考文獻：
Li,H., Zhang, R. et al. Graphdiyne-Based Bulk Heterojunction for Efficient and Moisture-StablePlanar Perovskite Solar Cells. Adv. Energy Mater.
https://doi.org/10.1002/aenm.201802012.
6. 石墨炔提高鈣鈦礦太陽能電池性能丨Nano Lett.
2018年10月，李玉良院士聯合酒同鋼課題組首次以石墨炔（GD）作為鈣鈦礦活性層中的主體材料。在電池制備中，GD活性材料占比為25%時，效率最高達到21.01％，并無回滯現象。研究發現，GD作為主體材料對鈣鈦礦活性層的形貌和結晶產生顯著影響，進而提高光電性能。通過引入GD，MAPbI3薄膜具有高度結晶、大尺寸晶疇和較少的晶界，器件穩定性也得到顯著改善。該研究表明，石墨炔作為主體活性物質提高鈣鈦礦太陽能電池的性能具有很大的潛力。
參考文獻：
Li,J. et al. Graphdyine as Host Active Material for Perovskite Solar Cell Application. Nano Lett.
https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.8b02863
石墨炔控制制備
自2010年李玉良團隊首次化學合成了碳新同素異形體—石墨炔以來，石墨炔特殊的化學結構和電子結構出發在理論上和實驗上成功解決了該領域的系列基礎科學問題。2018年，李玉良院士繼續引領石墨炔的控制制備，為實現更好的功能化應用奠定基礎。
7. 超分子化學助力石墨炔合成丨JACS
直接合成高晶態的石墨炔類似物依然是一個極具挑戰性的課題。有鑒于此，中科院的李玉良和李勇軍團隊將超分子化學的策略引入石墨炔類似物的合成上，以π-π/CH-π相互作用為驅動力，成功合成出了高晶態的石墨炔類似物。
參考文獻：
WeixiangZhou, Yongjun Li*, Yuliang Li, et al. Direct Synthesis of CrystallineGraphdiyne Analogue Based on Supramolecular Interactions J. Am. Chem. Soc., 2018
https://pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/jacs.8b09945
8. 水相高產無損剝離層狀石墨炔丨Angew
二維碳材料graphdiyne（GDY）作為半導體和多孔材料具有很大的前景然而，將大量GDY剝離成單層或少層的材料水相中的GDY仍然是一個挑戰。李玉良院士等人報告了一種有效的無損傷剝離制備大量GDY成單層或幾層GDY的策略。研究表明，該方法提供高剝離效率（75wt％），并在剝離GDY中產生無額外的結構缺陷或氧化物產生。理論計算表明，非共價陰離子的吸附，陽離子的擴散，以及隨后的相鄰薄片之間的排斥力是高效剝離的主要驅動力。
參考文獻：
Yan,H. et al. High-Yield and Damage-free Exfoliation of Layered Graphdiyne inAqueous Phase. Angew. Chem. Int. Ed. 2018.
https://doi.org/10.1002/anie.201809730
石墨炔綜述
鑒于石墨炔特殊的化學結構和電子結構及其在催化、能源、電化學驅動器以及光電性質等方面的重要應用前景。2018年，李玉良院士撰寫了多篇綜述文章，對整個領域的歷史、現狀以及未來進行了詳細而深刻的闡述。
9. 石墨炔綜述：能源領域的挑戰與機遇丨Sci. ChinaChem.
石墨炔（graphdiyne，GDY，漢語命名為石墨炔）是一種由sp和sp2碳共雜化形成的全新的二維平面網絡結構全碳分子，具有豐富的碳化學鍵，大的共軛體系、寬面間距、天然孔洞、天然帶隙、優異的化學和熱穩定性及催化等性能，是材料科學領域迅速崛起的新星！
sp炔鍵和sp2苯環的存在為調控石墨炔電子結構性質提供了最佳的契機，使得石墨炔不僅能夠替代貴金屬在電催化、光催化等方面的應用，同時能夠作為太陽能電池空穴傳輸層和電子傳輸層，還可以用作鋰離子相關的高性能儲能器件，在能源、催化、光學、電學、光電子器件等諸多領域展現出巨大的應用潛力，在國際上產生了重要影響，正在全球范圍內形成新的研究方向。
2018年，中國科學院化學研究所李玉良院士、薛玉瑞博士，北京大學劉忠范院士、張錦教授，國家納米科學中心趙宇亮院士等多位重量級科學家，從石墨炔的電子、化學結構出發，系統綜述了石墨炔在能源存儲和轉換領域的最新理論研究和實驗研究進展，以及石墨炔基新型能源存儲和轉換材料的重要研究成果，并深入探討了石墨炔材料未來發展的機遇和挑戰！
參考文獻：
XueYurui,Li Yuliang, Zhang Jin, Liu Zhongfan, Zhao Yuliang et al. 2D graphdiyne materials: challenges and opportunities in energy field. Sci. China Chem.,2018, 61.
https://doi.org/10.1007/s11426-018-9270-y
9. 石墨炔超級綜述丨Chem. Rev.
2018年7月，李玉良院士團隊從石墨炔的基本結構特征出發，綜述了石墨炔的制備和表征、性能與應用，從最新進展談到未來的機遇與挑戰。文章指出，石墨炔在催化、電池、光伏、電子器件、磁性器件、生物醫藥等領域都存在重要應用前景。
參考文獻：
ChangshuiHuang, Yuliang Li et al. Progress in Research into 2D Graphdiyne-BasedMaterials. Chem. Rev. 2018
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.chemrev.8b00288
除此之外，2018年李玉良院士課題組在以石墨炔為重點的無機化學交叉科學研究領域，還取得了一系列成果，包括：
1）發展了一種基于石墨炔的電化學驅動器，并實驗驗證了一種新型分子驅動機制：石墨炔烯炔互變效應。
2）發展了一種氟化石墨炔，構建高性能柔性鋰電池電極材料。
3）發展了一種三維柔性“石墨炔/二硫化鉬”異質結，實現了高效產氫。
……
參考文獻：
1)High-performance graphdiyne-based electrochemical actuators. Nature Communications2018, 9, 752.
2）Fluoridegraphdiyne as free-standing electrode displaying ultrastable and extraordinaryhigh Li storage performance. Energy Environ. Sci. 2018.
3）EfficientHydrogen Production on a 3D Flexible Heterojunction Material. Adv. Mater. 2018.
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課題組簡介：
李玉良，中國科學院化學研究所研究員，博士生導師。無機化學家，中國科學院院士。2002年、2005年和2014年三次獲得國家自然科學二等獎，兩次獲北京市科學技術獎（自然科學）一等獎和中國科學院自然科學二等獎一次。2017年獲何梁何利科學與技術進步獎！
主要研究方向為無機化學為基礎的交叉科學研究，聚焦在發展具有光電活性的碳基和富碳分子基材料定向、多維、大尺寸聚集態結構和異質結構自組裝方法和自組織生長。
2010年，李玉良團隊首次化學合成了碳新同素異形體—石墨炔，開拓了碳科學研究的新領域，從石墨炔特殊的化學結構和電子結構出發在理論上和實驗上成功解決了該領域的系列基礎科學問題，并合作拓展了石墨炔在催化、能源、電化學驅動器以及光電性質等方面的研究，發現了優異性能，特別是在電能與機械能量轉換方面。
主要研究成果包括：開展了分子基材料及其聚集態結構、異質結構和性質研究，發展了具有光電活性的碳及富碳材料多維、高有序、大尺寸納米結構生長方法學；建立了碳材料化學合成系統方法，在銅表面上合成了具有本征帶隙sp和sp2雜化的二維碳石墨炔，實現了人工化學合成全碳材料。建立了無機/有機半導體異質結共生長新方法，解決了納米科學中異質結構相容生長的關鍵問題，成為國際上生長低維異質結構的經典方法；考慮結構和能量的匹配原則，提出了分子基材料低維結構自組裝方法學，實現了大面積、高有序低維聚集態結構的可控制備。提出了炔-烯化學鍵轉換新的致動機理，改變了傳統電化學驅動器的電容致動機理，創造了電化學驅動器電能與機械能轉換新的紀錄。
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