纳米金刚石（NanoDiamonds，以下简写为NDs）的研究最早可追溯到20世纪下半叶，苏联科学家在爆炸室中研究非金刚石碳修饰物的冲击压缩时发现了NDs，由此与NDs性能的相关研究陆续展开[1]。本文是一篇科普类文章，作者回顾了NDs应用在超级电容器、电池、电化学催化、光电、热电和其他能源相关系统等方面的最新研究进展，旨在揭示NDs在能源相关领域的发展潜力。

NDs的特殊结构催生出四大效应：小尺寸效应、量子效应、表面效应和界面效应。因此，NDs具有传统材料所不具备的物理化学特性，使得它在各方面的潜在应用极为广泛[2]。本文基于NDs的导电率高、化学稳定性强、化学惰性好和表面积大等特性来论述NDs在能源领域的应用。

图1.图解NDs在能源相关领域的应用

文章关于NDs在能源相关领域应用的主要内容如上图所示。图中表明，NDs在能量存储领域的两个主要应用是超级电容器和电池，在能量转换领域的主要应用为电化学催化、光电转换和热电转换三个方向。此外，NDs还可以在纳米流体和水处理等领域开展应用，展现出该材料应用范围的多样性。

（1）NDs在能源存储领域的应用

作者首先指出NDs可用于能源存储的几个特性：表面积大、力学性能好、化学稳定性强和导电率高等。进行适当的掺杂或表面处理可以改变NDs的电子结构，有利于其在超级电容器和电池中的应用。

超级电容器具有功率密度高、充电速度快、循环寿命长和工作温度范围宽等优点，是最有前途的电化学储能装置之一[3]。然而，这些优点都离不开电极材料的选择。在所有电化学超级电容器电极材料中，研究最早、技术最成熟的是碳材料。其研究是从1957年Beck发表的相关专利开始的，碳电极的研究主要集中在制备具有比表面积大和内阻较小的多孔电极材料上。掺杂金刚石薄膜是近年来发展起来的超级电容器电极材料，以硼为掺杂物的P型金刚石薄膜已基本实用化[4]。Kondo领导的课题组正在探索采用掺杂硼的NDs作为超级电容器的电极。电极是电池或电容中的一种导电材料，将电解质与外部电线连接起来，使电流传输到系统之外。该课题组选择这种电极材料，是因为他们认识到掺杂硼的NDs的电位窗口宽，能保证高能存储设备长时间稳定工作。衡量电容器功能好坏的一个重要指标是比电容，它表示单位质量的电池或活性物质所能放出的电量，能间接反映电容器的功率密度大小。NDs能在1170-2170K的真空退火形成洋葱状碳材料，其比电容高达70-100F/g。当NDs与电化学活性聚合物（如聚苯胺）结合时，其比电容可提高到640F/g，恒电流循环可达10000次[5]。

锂电池因其可能自燃甚至爆炸的安全事故而臭名昭著，而其中关键原因是锂电池正负两级枝晶的形成。枝晶是一种卷须状的锂沉积物，可以长到足以刺穿隔离锂离子电池的正负两级并导致短路。研究人员发现锂离子易附着在NDs上[6]，并以有序的方式镀在电极上，有助于电子装置内的电荷流动，在超过200小时的放电和100个循环的再充电过程中完全抑制了枝晶形成。随着时间推移，NDs抑制枝晶形成的能力可能会促进每单位重量或体积的装置储存更多的能量。曾有研究表明将多壁碳纳米管嵌入到400纳米直径多孔纳米蜂窝金刚石结构中制成的锂离子电池阳极，比容量可提高到894mAh/g[7]。锂电池发展的另一个局限性问题是锂金属与电解液界面的稳定性。研究人员通过研究锂在氧化石墨烯（GO）纳米片上的沉积发现，锂金属初期沉积在GO缺陷附近，并形成薄层的锂沉积。同时，GO对锂金属的电子吸附能力会造成电荷偏移，形成锂金属带正电、GO带负电的Li-GO偶极子结构。这种特殊的界面结构可以降低锂金属的界面活性，抑制界面副反应的发生。该界面在锂半电池和锂-硫全电池结构中都具有良好的稳定性（超过400个稳定周期）[8]

（2）NDs在能源转换领域的应用

NDs具有优异的电化学催化性能、光电性能和热电性能，在能量转换领域得到了广泛的应用。

第一个是NDs的电化学催化作用。最近相关纳米微粒表面形态的研究表明，随着粒径的减小，表面光滑程度变差，纳米微粒表面会形成凹凸不平的原子台阶，这增加了化学反应的接触面。利用NDs的极大比表面、高表面能和高孔隙度等特点，可制造体积小、造价低的催化装置代替原有庞大昂贵的装备，用作环保，太阳能电池盒贮氢装置。以电化学和光电化学方法将二氧化碳（CO2）还原为有用的化学物质为例，在掺杂硼的NDs电极流动池中，CO2生成甲酸的选择性为99%；在电流密度为15mA/cm2时，法拉第效率为61％；掺杂氮的NDs可以将CO2转化为乙酸盐，在-0.8-1.0V时的法拉第效率约为90％；硼和氮共掺杂的NDs具有良好的乙醇选择性，在-1.0 V时法拉第效率高达93.2％[9]。

第二个是NDs的光电应用。NDs具有四面体网络结构，大的晶界密度和低的负电子亲和力，使得NDs适用于光电应用。与掺杂锡的氧化铟（ITO）和掺杂氟的氧化锡（FTO）基板相比，联噻吩C60、联噻吩二氰基和掺硼金刚石薄膜通过Suzuki交叉偶联反应与两个供体受体分子偶联，具有较高的光转换效率和较强的光稳定性[10]。在掺硼金刚石薄膜表面修饰有机染料可得到阴极光电流密度在-0.2V时约为500-700nA/cm2，大约是扁平金刚石上的三倍[11]。这一系列研究为平板显示器和光伏设备开辟了新的前景。

第三个是NDs在热电能量转换方面的应用。NDs具有出色的导热性和电绝缘性能。与原始BTSe相比，掺杂NDs的Bi2Te2.7Se0.3（ND/BTSe）复合材料具有更强的热电性能，在473 K下最大热电效率值为0.97。ND/BTSe界面的界面缺陷区域能够起到声子散射点的作用，使得电导率显著增加，这表明将NDs掺入n型BTSe基质是提高热电性能的有效途径。

（3）NDs在可持续能源研究中的潜在应用

NDs不仅仅局限于能量存储和转换应用，在可持续能源研究的应用中，NDs仍有许多未发掘的潜力，比如将纳米颗粒添加到纳米流体中导致传热增强，表面化学性质的调整使得NDs膜在选择性去除废水中的污染物方面具有独到之处[12]。该研究工作为NDs在可持续能源应用中开辟了新的方向。

文章总结了近年来NDs在能源相关领域的应用进展，包括超级电容器和电池的储能，电化学催化、光电和热电的能量转换，纳米流体和水处理等其他能源相关系统上的应用。NDs具有优异的电化学性能，在储能和转化相关领域具有广阔的应用前景。然而，NDs的实际应用仍处于初级阶段，许多关键问题必须寻求合适的解决方案。对于不同结构的NDs的物理、化学、电学性质以及表面化学性质的认识，还有待于进一步的研究。此外，用高质量的NDs控制其尺寸、形状、表面调制和掺杂水平将使其电化学的进一步优势得以实现。这一系列难题的攻克将使NDs在能源相关领域拥有更多的挑战。

在这篇文章中，作者总结了NDs在能源储存、转化和其他可持续能源研究中的一些最新进展，讨论了NDs在能源相关领域的潜在机遇和广阔前景，提出了深刻独特的见解。文章从超级电容器、电池以及水处理等与人们实际生活息息相关的领域出发，详细介绍了当前基于NDs的科研工作，实用性和普适性较强。文章最后指出，NDs的实际应用仍处于初级阶段，对于不同结构NDs的物理、化学性质有待进一步研究。这为后续关于NDs的研究提供了思路，也提出了挑战。

参考文献

[1] Danilenko VV, et al. Ultrananocrystalline Diamond. 2006; 335.

[2] Kumar S, et al. Carbon. 2019;143:678.

[3] Mirzaeian M, et al. International Journal of Hydrogen Energy. 2017;42:25565.

[4] Kondo T, et al. Journal of the Electrochemical Society. 2019;166:A1425.

[5] Bhaumik M, et al. Electrochimica Acta. 2020;342:136111.

[6] Liu Y, et al. Joule. 2018;2:1595.

[7] Honda K, et al. Journal of the Electrochemical Society. 2004;151:A532.

[8] Jeong H-S, et al. Applied Surface Science. 2020;508:144416.

[9] Xu, Jing, et al. Diamond & Related Materials. 2018.

[10] Zhong YL, et al. Journal of the American Chemical Society. 2008;130:17218.

[11] Behúl M, et al. Vacuum. 2020;171:109006.

[12] Huang JK, et al. Procedia Computer Science. 2019;147:512.