近日，榆林大學(xué)常春然團(tuán)隊(duì)李翠梅博士以榆林大學(xué)為第一單位在國(guó)際化工領(lǐng)域權(quán)威期刊《Chemical Engineering Journal》（IF=13.2，一區(qū)TOP）上發(fā)表了題為“Anti-aromatic carbon ring engineered graphyne nanostructures for high-performance water electrolysis”的研究論文。該工作首次揭示并系統(tǒng)闡釋了由反芳香碳環(huán)構(gòu)筑的二維石墨炔材料對(duì)電催化全水分解反應(yīng)的優(yōu)異性能與獨(dú)特機(jī)理，為設(shè)計(jì)下一代高性能、非貴金屬全解水電催化劑提供了極具前景的解決方案。

該研究中，創(chuàng)新性地將“反芳香性”這一在分子化學(xué)中已知能顯著提升反應(yīng)活性的概念，拓展至二維碳材料的設(shè)計(jì)中。與由芳香性六元環(huán)構(gòu)成的石墨烯不同，該研究報(bào)道了四種由反芳香性碳環(huán)構(gòu)成的石墨炔同素異形體：α-，β1-，β2-，β3-L4-8-graphyne。研究發(fā)現(xiàn)，這些反芳香石墨炔自身展現(xiàn)出顯著優(yōu)于石墨烯的HER催化活性，其中β3-L4-8-graphyne的活性位點(diǎn)ΔGH*值低至0.088 eV，已接近商用Pt催化劑（-0.090 eV）。為進(jìn)一步優(yōu)化性能，提出錨定第VIII族過渡金屬的策略，構(gòu)建TM@石墨炔系列材料。研究發(fā)現(xiàn)，TM的引入能顯著調(diào)控材料的電子結(jié)構(gòu)，從而協(xié)同提升HER和OER活性。對(duì)于HER，TM@β2-L4-8-graphyne體系表現(xiàn)出最優(yōu)HER性能，擁有多個(gè)ΔGH*值接近理想值的活性位點(diǎn)。對(duì)于OER，鎳摻雜的石墨炔體系表現(xiàn)尤為突出，其過電位最低可達(dá)0.32 V，顯著優(yōu)于商用IrO2基準(zhǔn)催化劑（0.56 V）。

通過深入的核無關(guān)化學(xué)位移（NICS）、Bader電荷和分子軌道分析，揭示了性能提升的微觀機(jī)制：反芳香碳環(huán)骨架通過調(diào)節(jié)局部電子結(jié)構(gòu)（上移p帶中心），優(yōu)化了對(duì)反應(yīng)中間體的吸附強(qiáng)度；而Ni位點(diǎn)則通過其d軌道與O的p（π*反鍵）軌道間的雜化，實(shí)現(xiàn)了對(duì)OER中間體吸附能的精準(zhǔn)優(yōu)化。該工作成功篩選出多個(gè)高效的雙功能催化劑，包括Ni1/Ir1@α-，Rh2@β1-，Ni2@β2-及Ni1/Rh1/Pt1@β3-L4-8-graphyne。這些材料在HER和OER兩方面均展現(xiàn)出接近或超越貴金屬基準(zhǔn)的優(yōu)異活性，具備用于整體水分解的巨大潛力。

該研究成果不僅首次從理論上證實(shí)了反芳香性二維碳材料在電催化領(lǐng)域的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，更為通過反芳香碳骨架與過渡金屬電子調(diào)控的協(xié)同策略設(shè)計(jì)高性能、低成本的雙功能電催化劑開辟了一條全新的道路，對(duì)推動(dòng)下一代可再生能源技術(shù)的發(fā)展具有重要意義。

論文鏈接：
https://doi.org/10.1016/j.cej.2026.174734