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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：2038

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(guò)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(guó)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(guó)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(kāi)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(lái)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(guò)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(yǔ)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(lái)說(shuō)，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(wú)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(guò)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(lái)說(shuō),，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(kāi)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(guó)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(kāi)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(guò)去二三十年研究的焦點(diǎn),，中國(guó)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(guò)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(guó)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(guó)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(lái)電子器件的關(guān)鍵材料……”,。

Nature China報(bào)道：“中國(guó)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(guó)也將其列入政府計(jì)劃,，并將石墨炔列入未來(lái)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(guó)科學(xué)技術(shù)發(fā)展報(bào)告中,。2015年被評(píng)為中國(guó)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(guò)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(lái)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,。