能用煤制造石墨吗？看俄亥俄大学的最新研究结果

诸平

Amorphous graphite (yellow) obtained after thermal treatment at high temperature (3000K) from a random initial configuration (gray). Credit: Ohio University

据美国俄亥俄大学（Ohio University）2022年6月10日提供的消息，该校研究人员发现了新的碳固体，他们由随机初始构型(灰色)经高温(3000 K)热处理后得到非晶态石墨(黄色，见上图所示，Can we make graphite from coal? Researchers start by finding new carbon solid)。

随着世界对石墨等碳基材料的需求增加，俄亥俄大学的研究人员2022年6月上旬提出了一种新的碳固体的证据，他们将其命名为“无定形石墨（amorphous graphite）”。

物理学家大卫·德拉博尔德（David Drabold）和工程师詹森·特雷布利（Jason Trembly）首先提出了一个问题：“我们能用煤制造石墨吗？”

“石墨是一种重要的碳材料，有多种用途。石墨的一个新兴应用是锂离子电池(lithium-ion batteries)的电池阳极，这对电动汽车行业(electric vehicle industry)至关重要——一辆特斯拉S型（Tesla Model S）电动汽车平均需要54 kg石墨。如果用纯碳材料制成，这种电极最好，因为螺旋形的技术需求(spiraling technological demand)越来越难获得，”他们在2022年6月10日发表在《物理评论快报》（Physical Review Letters）杂志网站上的论文《非晶石墨的从头算模拟》（Ab initio simulation of amorphous graphite）中写道。详见：R. Thapa, C. Ugwumadu, K. Nepal, J. Trembly, D. A. Drabold. Ab Initio Simulation of Amorphous Graphite. Physical Review Letters, 2022, 128(23): 236402. DOI: 10.1103/PhysRevLett.128.236402. Published 10 June 2022. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.128.236402

“从头计算（Ab initio）”的意思是“从一开始（from the beginning）”，他们的工作是寻找从天然含碳材料合成石墨的新途径。通过多次不同的计算，他们发现了一种层状材料，这种材料在非常高的温度（约3000 K）下形成。由于层间形成电子气，它的层保持在一起，但它们不是构成理想石墨烯的完美六边形层。这种新材料有很多六边形，也有五边形和七边形。与石墨烯相比，这种环无序降低了这种新材料的电导率，但在主要由六边形构成的区域，电导率仍然很高。

并非所有都是六边形（Not all hexagons）

在化学中，通过高温热处理将含碳材料转化为层状石墨结构的过程称为石墨化（graphitization）。在上述论文中，我们通过从头计算和机器学习分子动力学模拟表明，纯碳网络在重要的密度和温度窗口中具有压倒性的倾向，即使在随机启动配置下也会发生分层。平面层是无定形石墨烯（amorphous graphene）：拓扑无序的三个配位碳原子排列在五边形、六边形和七边形的碳平面上，”俄亥俄大学文理学院（College of Arts and Sciences at Ohio University）杰出的物理学和天文学教授大卫·德拉博尔德说。

大卫·德拉博尔德说：“由于这种相是拓扑无序的，石墨通常的‘堆叠登记（stacking registry）’仅在统计上受到重视。在密度泛函（LDA和PBE）力没有范德华修正（Van der Waals corrections）的情况下观察到分层现象，我们讨论了廊道（平面之间的空隙）中离域电子气的形成，并表明层间内聚力部分是由于这种低密度电子气。相对于石墨烯，面内电子电导率显著降低。”

研究人员预计，他们的宣布将刺激实验和研究，以解决无定形石墨的存在，无定形石墨可以通过剥离和/或实验表面结构探针进行测试。

詹森·特雷布利是俄亥俄大学鲁斯工程与技术学院（Russ College of Engineering and Technology at Ohio University）的鲁斯机械工程教授兼可持续能源与环境研究所（Institute for Sustainable Energy and the Environment）所长，他一直致力于煤炭的绿色利用。他和大卫·德拉博尔德以及物理博士生拉金德拉·塔帕（Rajendra Thapa）、Chinonso Ugwumadu和基肖尔·尼泊尔（Kishor Nepal）合作进行了这项研究。大卫·德拉博尔德也是俄亥俄州纳米和量子现象研究所（Nanoscale & Quantum Phenomena Institute at OHIO）的一员，他发表了一系列关于非晶态碳和非晶态石墨烯理论的论文。大卫·德拉博尔德还强调了他的研究生在开展这项研究时所做的出色工作。

令人惊讶的层间内聚力（Surprising interplane cohesion）

大卫·德拉博尔德说：“导致我们这样做的问题是，我们是否可以用煤制造石墨。”他补充道：“这篇论文并没有完全回答这个问题，但它表明碳具有压倒性的像石墨一样分层的倾向，但有许多‘缺陷’，如五边形和七边形（碳原子的五元环和七元环），它们非常自然地融入到层网中。我们提供了无定形石墨存在的证据，并描述了其形成过程。实验怀疑石墨化发生在3000 K附近，但形成过程的细节和平面无序的性质尚不清楚。”

俄亥俄大学的研究人员的工作也是对碳的一种新相的预测。大卫·德拉博尔德说：“在我们这样做之前，非晶态石墨烯层（包括五边形和七边形的平面）是否会以层状结构粘在一起，这一点一点也不明显。我发现这非常令人惊讶，而且，既然预测到了这种物质的存在，实验人员很可能会去寻找它。碳是可以制造生命的神奇元素，钻石、石墨、巴基球、纳米管、石墨烯，还有现在的这个。这里面也有很多有趣的基础物理，例如平面如何结合以及为什么结合？由于技术原因这本身就很令人惊讶。”

上述介绍，仅供参考。欲了解更多信息，敬请注意浏览原文或者相关报道。

石墨烯的三维和二维特性（Graphene is 3-D as well as 2-D）

Abstract

An amorphous graphite material has been predicted from molecular dynamics simulation usingab initio methods. Carbon materials reveal a strong proclivity to convert into a sp² network and then layer at temperatures near 3000 K within a density range of ca. 2.2–2.8 g/cm³. Each layer of amorphous graphite is a monolayer of amorphous graphene including pentagons and heptagons in addition to hexagons, and the planes are separated by about 3.1 Å. The layering transition has been studied using various structural and dynamical analyses. The transition is unique as one of partial ordering (long range order of planes and galleries, but topological disorder in the planes). The planes are quite flat, even though monolayer amorphous graphene puckers near pentagonal sites. Interplane cohesion is due partly to non-Van der Waals interactions. The structural disorder has been studied closely, especially the consequences of disorder to electronic transport. It is expected that the transition elucidated here may be salient to other layered materials.