摘要：中國(guó)科學(xué)院李玉良帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)從表面化學(xué)反應(yīng)結(jié)合固態(tài)生長(zhǎng)合成化學(xué)的視角出發(fā)，首次在銅表面上合成了具有本征帶隙sp雜化的二維碳的新同素異形體石墨炔，開(kāi)辟了人工化學(xué)合成碳同素異形體的先例。 　　石墨炔是一種新的碳同素異形體，其豐富的碳化學(xué)鍵，大的共軛體系、寬面間距、優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性和半導(dǎo)體性能一直吸引著科學(xué)家的關(guān)注。隨著富勒烯、碳管及石墨烯等碳材料陸續(xù)通過(guò)物理方法成功制備，如何制備石墨炔一直是科學(xué)研究的焦點(diǎn)。
　　近年來(lái)，中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所有機(jī)固體重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究員李玉良帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)從表面化學(xué)反應(yīng)結(jié)合固態(tài)生長(zhǎng)合成化學(xué)的新視角出發(fā)，首次在銅表面上合成了具有本征帶隙sp雜化的二維碳的新同素異形體石墨炔，開(kāi)辟了人工化學(xué)合成碳同素異形體的先例。

　　首次化學(xué)合成
　　上世紀(jì)90年代，中科院化學(xué)所有機(jī)固體實(shí)驗(yàn)室在中科院院士朱道本帶領(lǐng)下開(kāi)展了碳材料富勒烯研究。
　　據(jù)介紹，碳具有sp3、sp2和sp三種雜化態(tài)，通過(guò)不同雜化態(tài)可以形成多種碳的同素異形體。例如，通過(guò)sp3雜化可以形成金剛石，通過(guò)sp3與sp2雜化則可以形成碳納米管、富勒烯和石墨烯等。
　　由于具有sp雜化態(tài)的碳碳三鍵具有線性結(jié)構(gòu)、無(wú)順?lè)串悩?gòu)體和高共軛等優(yōu)點(diǎn)，科學(xué)家一直渴望能夠獲得具有sp雜化態(tài)的碳的新同素異形體，并認(rèn)為該類碳材料具備優(yōu)異的電學(xué)、光學(xué)和光電性能，并將成為下一代新的電子和光電器件的關(guān)鍵材料。
　　2004年，英國(guó)曼切斯特大學(xué)的研究人員用透明膠帶粘下一層層石墨層，最終獲得了一個(gè)碳原子厚度的石墨烯。隨后，他們發(fā)現(xiàn)，單層石墨烯硬度高，卻有很好的韌性，是當(dāng)時(shí)已知導(dǎo)電性能最好的材料。常溫下高達(dá)15000 cm2·V-1·S-1的電子遷移率，使得石墨烯成為制造高速晶體管的希望所在。
　　2010年，單層石墨烯已經(jīng)從實(shí)驗(yàn)室逐步走向產(chǎn)業(yè)化道路，英國(guó)科學(xué)家的這項(xiàng)基礎(chǔ)工作也獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。
　　就在這一年，中科院化學(xué)所有機(jī)固體實(shí)驗(yàn)室的化學(xué)家們，創(chuàng)造了化學(xué)合成的方法，制造出另一種新的碳材料——石墨炔。研究人員利用六炔基苯在銅片表面的催化作用下發(fā)生偶聯(lián)反應(yīng)，成功地在銅片表面上，合成出石墨炔薄膜。
　　這是世界上首次通過(guò)化學(xué)方法獲得的全碳材料，開(kāi)辟了人工化學(xué)合成碳同素異形體的先例，讓化學(xué)家們深受鼓舞。

　　不斷深入的研究
　　近兩年，中科院化學(xué)所石墨炔研究團(tuán)隊(duì)持續(xù)開(kāi)展了石墨炔的基礎(chǔ)和應(yīng)用研究，實(shí)現(xiàn)了大面積、規(guī)模化制備;同時(shí)引領(lǐng)了國(guó)際上眾多科學(xué)家積極參與到該領(lǐng)域研究，推動(dòng)了碳材料科學(xué)的發(fā)展，并為碳材料研究帶來(lái)難得的機(jī)遇。
　　研究人員與多名國(guó)內(nèi)外科學(xué)家合作，發(fā)現(xiàn)其在催化、燃料電池、鋰離子電池、電容器、太陽(yáng)能電池以及力學(xué)性能等方面具有優(yōu)良性質(zhì)和性能。
　　例如，研究人員實(shí)現(xiàn)了石墨炔薄膜的厚度可控，首次證實(shí)了石墨炔薄膜的層間距為0.365 納米，所獲得的少數(shù)層石墨炔薄膜厚度可以控制在15~500納米之間。同時(shí)，石墨炔薄膜表現(xiàn)出良好的半導(dǎo)體性質(zhì)，并發(fā)現(xiàn)隨著石墨炔厚度的減小，其電導(dǎo)率逐漸增加。研究人員首次測(cè)定了石墨炔薄膜空穴遷移率,證明了理論計(jì)算提出的高遷移率，其遷移率隨著石墨炔薄膜厚度的增加逐漸下降，厚度為22納米的石墨炔薄膜的遷移率可達(dá)到100~500 cm2·V-1·S-1。
　　2014年，研究人員發(fā)現(xiàn)，石墨炔薄膜是一類性能優(yōu)良的鋰離子電池負(fù)極材料。由于石墨炔具有sp和sp2的二維三角空隙、大表面積、電解質(zhì)離子快速擴(kuò)散等特性，基于石墨炔的鋰離子電池也具有優(yōu)良的倍率性能、大功率、大電流、長(zhǎng)效的循環(huán)穩(wěn)定性等特點(diǎn)，相關(guān)指標(biāo)明顯高于石墨、碳納米管和石墨烯等碳材料，并具有優(yōu)良的穩(wěn)定性。如在2A·g-1的電流密度下，經(jīng)歷1000次循環(huán)之后，其比容量依然高達(dá)420 mAh·g-1，這是絕大多數(shù)鋰離子負(fù)極材料所不具備的優(yōu)勢(shì)。
　　2015年，研究人員將石墨炔摻雜進(jìn)雜化鈣鈦礦器件的電子傳輸層，有效地提高了電子傳輸層的電導(dǎo)，進(jìn)而提升了鈣鈦礦電池的器件性能。
　　研究人員介紹，石墨炔的引入不僅改善了界面材料的薄膜形態(tài)，更好地調(diào)控界面特性，提升了器件的短路電流值，從而增加了器件的光電轉(zhuǎn)換效率，而且器件效率不受電壓掃描條件影響。另外，該項(xiàng)研究還發(fā)現(xiàn)石墨炔與P3HT作為修飾材料構(gòu)筑的鈣鈦礦太陽(yáng)能電池，其光電轉(zhuǎn)換效率提高了20%。在業(yè)內(nèi)人士看來(lái)，上述系列研究為提高鈣鈦礦電池的性能和新型碳材料的應(yīng)用開(kāi)發(fā)以及鈣鈦礦電池器件的研究提供了新的思路。
　　2015年，研究人員圍繞石墨炔的電容器性能開(kāi)展研究時(shí)，發(fā)現(xiàn)其具有優(yōu)異的電容器性能，電容也遠(yuǎn)高于其他碳材料。因此，石墨炔電容器能夠同時(shí)具備高功率密度和高能量密度。
　　研究人員還發(fā)現(xiàn)，石墨炔負(fù)載金屬鈀可高效催化還原4-硝基苯酚，還原速率(0.322 min-1)分別是Pd-碳納米管、Pd-氧化石墨烯和商用Pd碳的40倍、11倍和5倍;氮摻雜石墨炔具有非常優(yōu)異的氧還原催化活性，已經(jīng)與商業(yè)化鉑/碳材料相當(dāng)，有望實(shí)現(xiàn)對(duì)貴金屬鉑系催化劑的替代。而由于石墨炔三鍵具有極高的化學(xué)活性，TiO2(001)-石墨炔復(fù)合物等石墨炔基材料顯示了獨(dú)特光催化、電化學(xué)催化及催化性能。
　　此外，石墨炔作為量子點(diǎn)太陽(yáng)能電池的緩沖層，可大大提高PbS量子點(diǎn)太陽(yáng)能電池的效率并可顯著降低功函，高效促進(jìn)量子點(diǎn)太陽(yáng)能電池空穴輸運(yùn)的能力，顯著提高量子點(diǎn)太陽(yáng)能電池光電轉(zhuǎn)換效率和穩(wěn)定性。
　　目前，中科院化學(xué)所有機(jī)固體實(shí)驗(yàn)室科研人員仍然在試圖用像石墨烯一樣通過(guò)控制生長(zhǎng)及物理剝離方法，獲得石墨炔單層結(jié)構(gòu)。“雖然存在困難，但已經(jīng)有了長(zhǎng)足進(jìn)展，有可能在短時(shí)間內(nèi)解決這個(gè)問(wèn)題。”李玉良介紹說(shuō)。而對(duì)于石墨炔的單體合成，李玉良認(rèn)為，其大批量制備及工業(yè)化尚待時(shí)日。

　　充滿希望的未來(lái)
　　作為具有中國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新材料，石墨炔的發(fā)現(xiàn)在國(guó)際上產(chǎn)生了重要影響，被同行評(píng)價(jià)認(rèn)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)”。
　　德國(guó)著名物理學(xué)家Gorling教授的研究指出石墨炔是狄拉克錐物質(zhì)，他認(rèn)為這是有帶隙的石墨炔在許多性能方面超過(guò)零帶隙石墨烯的重要因素。
　　《今日材料》期刊以“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)家首次化學(xué)合成了3.6平方厘米的石墨炔薄膜，其優(yōu)良性能可與硅媲美，有可能與石墨烯一起成為未來(lái)電子器件的關(guān)鍵材料……”
　　麻省理工學(xué)院教授Markus Zahn認(rèn)為石墨炔可能在海水淡化方面具有不可替代的作用，可濾除海水中的氯化鈉達(dá)99.7%。國(guó)際著名科學(xué)家則通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬、多方面的理論計(jì)算及實(shí)驗(yàn)等發(fā)現(xiàn)石墨炔在光學(xué)、電學(xué)、光電子器件、催化、太陽(yáng)能電池等領(lǐng)域有潛在應(yīng)用。
　　目前，已經(jīng)有美國(guó)、加拿大、日本、澳大利亞、德國(guó)等國(guó)際和國(guó)內(nèi)的課題組開(kāi)展了研究，使石墨炔研究進(jìn)入了快速發(fā)展時(shí)期。
　　不僅在學(xué)術(shù)界，商業(yè)界也對(duì)石墨炔的應(yīng)用充滿了濃厚的興趣。研究表明，石墨炔在能源、催化、光學(xué)、電學(xué)、光電子器件等諸多領(lǐng)域具有巨大的潛在應(yīng)用。
　　英國(guó)《納米技術(shù)》雜志曾將石墨炔與石墨烯、硅烯共同列入未來(lái)最具潛力和商業(yè)價(jià)值的材料，并將石墨炔單列一章專門(mén)作了市場(chǎng)分析，認(rèn)為其將在諸多領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。據(jù)該雜志報(bào)道，歐盟已將石墨炔相關(guān)研究列入下一個(gè)框架計(jì)劃，美、英等國(guó)也將其列入其政府計(jì)劃。
　　世界兩大著名的商業(yè)信息公司研究與市場(chǎng)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)和材料商業(yè)市場(chǎng)，認(rèn)為石墨炔是最具潛力的納米材料之一。
　　如今，石墨炔如同碳化學(xué)領(lǐng)域冉冉升起的新星，在基礎(chǔ)和應(yīng)用中受到廣泛期待。