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它是碳材料家族新星、性能比肩石墨烯！你再不認(rèn)識(shí)就晚了

鴻凱智能 2018-07-11 | 閱讀：1826

小烯導(dǎo)讀

石墨炔，由sp和sp2雜化形成的一種新型碳的同素異形體，具有豐富的碳化學(xué)鍵，大的共軛體系、寬面間距、多孔、優(yōu)良的化學(xué)性能、熱穩(wěn)定性、半導(dǎo)體性能，以及力學(xué)、催化和磁學(xué)等性能，是繼富勒烯、碳納米管、石墨烯之后，一種新的全碳二維平面結(jié)構(gòu)材料。

合成、分離新的不同維數(shù)碳同素異形體是過去二三十年研究的焦點(diǎn)，科學(xué)家們先后發(fā)現(xiàn)了零維富勒烯、一維碳納米管和二維石墨烯等新的碳同素異形體（圖1），這些材料均成為了國際學(xué)術(shù)研究的前沿和熱點(diǎn)。1996年化學(xué)諾貝爾獎(jiǎng)被授予了三位富勒烯的發(fā)現(xiàn)者，2010年英國曼徹斯特大學(xué)的安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫由于在二維碳材料石墨烯方面開創(chuàng)性的研究被授予了諾貝爾物理獎(jiǎng)，使得碳材料的研究進(jìn)入了一個(gè)新的發(fā)展階段，同時(shí)也激起了科學(xué)家們對(duì)新型碳的同素異形體的研究熱忱和興趣。

圖1 近三十年來碳材料發(fā)展歷程

石墨炔，由sp和sp²雜化形成的一種新型碳的同素異形體，它是由1，3-二炔鍵將苯環(huán)共軛連接形成二維平面網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，具有豐富的碳化學(xué)鍵，大的共軛體系、寬面間距、多孔、優(yōu)良的化學(xué)性能、熱穩(wěn)定性、半導(dǎo)體性能，以及力學(xué)、催化和磁學(xué)等性能，是繼富勒烯、碳納米管、石墨烯之后，一種新的全碳二維平面結(jié)構(gòu)材料。

2010年，李玉良團(tuán)隊(duì)提出了在銅箔表面上通過化學(xué)方法原位合成石墨炔并首次成功地獲得了大面積（3.61cm²）的石墨炔薄膜，且第一次被李玉良等研究人員用漢語命名為“石墨炔”。從結(jié)構(gòu)上，石墨炔可以被看作是石墨烯中三分之一的C―C中插入兩個(gè)C≡C（二炔或乙炔）鍵，這使得這種石墨炔中不僅具備苯環(huán)，而且還有由苯環(huán)、C≡C鍵構(gòu)成的具有18個(gè)碳原子的大三角形環(huán)。額外的炔鍵單元使這種石墨炔的孔徑增加到大約0.25nm。

對(duì)于石墨炔來說，sp和sp²雜化的炔鍵和苯環(huán)，構(gòu)成了二維單原子層平面構(gòu)型的石墨炔（圖2）；在無限的平面擴(kuò)展延伸中，與石墨烯相似，為保持構(gòu)型的穩(wěn)定，石墨炔的單層二維平面構(gòu)型會(huì)形成一定的褶皺；二維平面石墨炔分子通過范德華力和π―π相互作用堆疊，形成層狀結(jié)構(gòu)；18個(gè)碳原子的大三角形環(huán)在層狀結(jié)構(gòu)中構(gòu)成三維孔道結(jié)構(gòu)。平面的sp²和sp雜化碳結(jié)構(gòu)賦予石墨炔很高的π共軛性、均勻分散的孔道構(gòu)型以及可調(diào)控的電子結(jié)構(gòu)性能。因此，總體來說，石墨炔既具備類似于石墨烯的二維單層平面材料的特點(diǎn)，同時(shí)又具有三維多孔材料的特性、剛性平面結(jié)構(gòu)和納米級(jí)孔結(jié)構(gòu)等獨(dú)特性質(zhì)。

圖2 石墨炔結(jié)構(gòu)

石墨炔的成功合成，使碳材料家族又誕生了一個(gè)新成員，開辟了人工化學(xué)合成新碳素異形體的先例。

研究結(jié)果發(fā)表之后，被國際同行評(píng)價(jià)為：“這是碳化學(xué)的一個(gè)令人矚目的進(jìn)展，是真正的重大發(fā)現(xiàn)”；“是碳化學(xué)的一個(gè)重大進(jìn)展，它將為大面積石墨炔薄膜在納米電子的應(yīng)用開辟一條道路”。

被Materials Today、NPG Asia Materials、NanoTech和Nature China等權(quán)威雜志作專題評(píng)述，Material Today 以“Flat-packed carbon”為題指出：“合成、分離新的碳同素異形體是過去二三十年研究的焦點(diǎn)，中國科學(xué)家首次合成了新的碳同素異形體——石墨炔；化學(xué)家通過碳原子制備獨(dú)特的分子，然而，化學(xué)合成僅含碳的材料更具挑戰(zhàn)性，中國科學(xué)家用一種直接的方法合成了3.6cm²的石墨炔薄膜。中國科學(xué)家研究表明石墨炔優(yōu)良的性能可與硅媲美，有可能成為未來電子器件的關(guān)鍵材料……”。

Nature China報(bào)道：“中國科學(xué)院李玉良等首次合成二維結(jié)構(gòu)石墨炔，石墨炔具有和已知碳同素異形體不同的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，石墨炔將可能成為電子器件領(lǐng)域最重要的材料。”

著名雜志NanoTech 2012年發(fā)布年度報(bào)告回顧了發(fā)現(xiàn)的幾類重要材料，指出石墨炔的發(fā)現(xiàn)提升了對(duì)碳材料研究的強(qiáng)烈興趣。并指出歐盟已將石墨炔等研究列入下一個(gè)框架計(jì)劃，美、英等國也將其列入政府計(jì)劃，并將石墨炔列入未來最具潛力和商業(yè)價(jià)值的材料。2015年該雜志以2015~2025二維材料機(jī)遇分析為專題，將石墨炔列為該專題的第七章進(jìn)行評(píng)述。指出在電子、能源、航空航天、電信、醫(yī)療以及催化領(lǐng)域的重要潛在應(yīng)用價(jià)值。

世界兩大著名的商業(yè)信息公司Research and Markets公司和日商環(huán)球訊息有限公司評(píng)述了2019年前全球納米技術(shù)和材料，將石墨炔列入最具潛力的納米材料之一。該研究成果還被科技部作為2010年重大基礎(chǔ)研究進(jìn)展列入2010年中國科學(xué)技術(shù)發(fā)展報(bào)告中。2015年被評(píng)為中國科學(xué)院發(fā)布的“十二五”25項(xiàng)重大科技成果之一。

石墨炔，具有天然的帶隙，屬于本征半導(dǎo)體，其存在特別的電荷輸運(yùn)性能。石墨炔在費(fèi)米能級(jí)上下附近具有兩個(gè)不同的狄拉克錐，這表示石墨炔為自摻雜(self-doped)半導(dǎo)體，原本就具有電荷載流子，不需要像石墨烯一樣要通過額外摻雜實(shí)現(xiàn)。石墨炔還表現(xiàn)出高的導(dǎo)電性、大的澤貝克系數(shù)和低的熱導(dǎo)率等特點(diǎn)。為此，石墨炔吸引了來自化學(xué)、物理、材料、電子、微電子和半導(dǎo)體領(lǐng)域的科學(xué)家對(duì)其誘人的半導(dǎo)體、光學(xué)、儲(chǔ)能、催化和機(jī)械性能進(jìn)行了深入探索。石墨炔特殊的電子結(jié)構(gòu)和孔洞結(jié)構(gòu)使其在信息技術(shù)、電子、能源、催化以及光電等領(lǐng)域具有潛在、重要的應(yīng)用前景，近幾年石墨炔的基礎(chǔ)和應(yīng)用研究已取得了重要成果，并迅速成為了碳材料研究中的新熱點(diǎn)領(lǐng)域。