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材料前沿丨石墨炔:从发现到应用 精选

已有 5969 次阅读 2018-7-5 11:10 |个人分类:科学书摘|系统分类:观点评述

 

编者按:《石墨炔:从发现到应用》为国内外第一部全方位、系统地介绍石墨炔从基础科学研究到实际应用探索的前沿著作,由我国首次发现石墨炔的专家——中国科学院院士李玉良先生及其团队核心专家李勇军研究员共同撰写。内容新颖、权威,科学性和可读性强!


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合成、分离新的不同维数碳同素异形体是过去二三十年研究的焦点,科学家们先后发现了零维富勒烯、一维碳纳米管和二维石墨烯等新的碳同素异形体(图1),这些材料均成为了国际学术研究的前沿和热点。1996年化学诺贝尔奖被授予了三位富勒烯的发现者,2010年英国曼彻斯特大学的安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫由于在二维碳材料石墨烯方面开创性的研究被授予了诺贝尔物理奖,使得碳材料的研究进入了一个新的发展阶段,同时也激起了科学家们对新型碳的同素异形体的研究热忱和兴趣。

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图1  近三十年来碳材料发展历程


石墨炔,由sp和sp2杂化形成的一种新型碳的同素异形体,它是由1,3-二炔键将苯环共轭连接形成二维平面网络结构,具有丰富的碳化学键,大的共轭体系、宽面间距、多孔、优良的化学性能、热稳定性、半导体性能,以及力学、催化和磁学等性能,是继富勒烯、碳纳米管、石墨烯之后,一种新的全碳二维平面结构材料。


2010年,李玉良团队提出了在铜箔表面上通过化学方法原位合成石墨炔并首次成功地获得了大面积(3.61cm2)的石墨炔薄膜,且第一次被李玉良等研究人员用汉语命名为“石墨炔”。从结构上,石墨炔可以被看作是石墨烯中三分之一的C―C中插入两个C≡C(二炔或乙炔)键,这使得这种石墨炔中不仅具备苯环,而且还有由苯环、C≡C键构成的具有18个碳原子的大三角形环。额外的炔键单元使这种石墨炔的孔径增加到大约0.25nm。


对于石墨炔来说,sp和sp2杂化的炔键和苯环,构成了二维单原子层平面构型的石墨炔(图2);在无限的平面扩展延伸中,与石墨烯相似,为保持构型的稳定,石墨炔的单层二维平面构型会形成一定的褶皱;二维平面石墨炔分子通过范德华力和π―π相互作用堆叠,形成层状结构;18个碳原子的大三角形环在层状结构中构成三维孔道结构。平面的sp2和sp杂化碳结构赋予石墨炔很高的π共轭性、均匀分散的孔道构型以及可调控的电子结构性能。因此,总体来说,石墨炔既具备类似于石墨烯的二维单层平面材料的特点,同时又具有三维多孔材料的特性、刚性平面结构和纳米级孔结构等独特性质。


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图2 石墨炔结构


石墨炔的成功合成,使碳材料家族又诞生了一个新成员,开辟了人工化学合成新碳素异形体的先例。


研究结果发表之后,被国际同行评价为:“这是碳化学的一个令人瞩目的进展,是真正的重大发现”;“是碳化学的一个重大进展,它将为大面积石墨炔薄膜在纳米电子的应用开辟一条道路”。


Materials TodayNPG Asia MaterialsNanoTechNature China等权威杂志作专题评述,Material Today 以“Flat-packed carbon”为题指出:“合成、分离新的碳同素异形体是过去二三十年研究的焦点,中国科学家首次合成了新的碳同素异形体——石墨炔;化学家通过碳原子制备独特的分子,然而,化学合成仅含碳的材料更具挑战性,中国科学家用一种直接的方法合成了3.6cm2的石墨炔薄膜。中国科学家研究表明石墨炔优良的性能可与硅媲美,有可能成为未来电子器件的关键材料……”。


Nature China报道:“中国科学院李玉良等首次合成二维结构石墨炔,石墨炔具有和已知碳同素异形体不同的结构和性质,石墨炔将可能成为电子器件领域最重要的材料。” 


著名杂志NanoTech 2012年发布年度报告回顾了发现的几类重要材料,指出石墨炔的发现提升了对碳材料研究的强烈兴趣。并指出欧盟已将石墨炔等研究列入下一个框架计划,美、英等国也将其列入政府计划,并将石墨炔列入未来最具潜力和商业价值的材料。2015年该杂志以2015~2025二维材料机遇分析为专题,将石墨炔列为该专题的第七章进行评述。指出在电子、能源、航空航天、电信、医疗以及催化领域的重要潜在应用价值。


世界两大著名的商业信息公司Research and Markets公司和日商环球讯息有限公司评述了2019年前全球纳米技术和材料,将石墨炔列入最具潜力的纳米材料之一。该研究成果还被科技部作为2010年重大基础研究进展列入2010年中国科学技术发展报告中。2015年被评为中国科学院发布的“十二五”25项重大科技成果之一。


石墨炔,具有天然的带隙,属于本征半导体,其存在特别的电荷输运性能。石墨炔在费米能级上下附近具有两个不同的狄拉克锥,这表示石墨炔为自掺杂(self-doped)半导体,原本就具有电荷载流子,不需要像石墨烯一样要通过额外掺杂实现。石墨炔还表现出高的导电性、大的泽贝克系数和低的热导率等特点。为此,石墨炔吸引了来自化学、物理、材料、电子、微电子和半导体领域的科学家对其诱人的半导体、光学、储能、催化和机械性能进行了深入探索。石墨炔特殊的电子结构和孔洞结构使其在信息技术、电子、能源、催化以及光电等领域具有潜在、重要的应用前景,近几年石墨炔的基础和应用研究已取得了重要成果,并迅速成为了碳材料研究中的新热点领域。


中国科学院院长白春礼院士题词


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本文摘编自李玉良、李勇军著《石墨炔:从发现到应用》。


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石墨炔:从发现到应用

李玉良  李勇军 

责任编辑:翁靖一

联系电话:64019769

北京:科学出版社 2018.06

ISBN 978-7-03-057525-8


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石墨炔:从发现到应用》为“低维材料与器件丛书”之一。石墨炔是本书作者首次发现的一种新型二维碳材料,全书系统地介绍了石墨炔的理论预测、结构、合成与表征方法、聚集态结构研究及其在电子、信息、能源转化和存储、催化、环境与检测、生物医药等领域的前沿研究及应用探索。本书共分7章:第1章为绪论;第2章介绍了石墨炔的理论预测与发现;第3章主要从理论模拟角度介绍石墨炔的基本性质;第4章介绍了石墨炔的合成与表征;第5章介绍了石墨炔的聚集态结构;第6章介绍了石墨炔的应用;第7章展望了石墨炔材料发展面临的问题和挑战。石墨炔的发展日新月异,本书是作者在石墨炔领域多年原创性研究成果的系统归纳和整理,对石墨炔新材料的发展具有重要的推动意义与学术参考价值。


(本期编辑:安 静)


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1 黄裕权

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