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    中國科學家全球首創并命名石墨炔

    2022-5-28 15:07| 發布者: cncelab| 查看: 6091| 評論: 0|來自: 科技日報

    摘要: 由于獨特的電子結構和化學結構,石墨炔在新氫能源轉換、光合作用制化學品、高效人工固氮、生命科學、智能信息等領域都具有變革性的應用潛力。
    【消費電子實驗室-2022/5/28】石墨烯、富勒烯、碳納米管……這些碳材料的發現,都曾在科研圈掀起研究熱潮。2010年,石墨烯的發現者被授予諾貝爾物理學獎。就在同一年,中國科學院院士、中科院化學研究所研究員李玉良和團隊發現了一個碳材料家族的新成員:石墨炔。

    石墨炔可控生長多層結構。受訪者供圖

    和此前碳材料的發現一樣,石墨炔的發現同樣掀起了科學界的研究熱潮。但是,和此前碳材料研究都由國外科學家開創不同,石墨炔的發現與研究是國外科學家跟進中國科學家開展研究的實例。

    在全國科技工作者日即將到來之際,為全面呈現石墨炔研究的“前世今生”,講述我國科技工作者在石墨炔研究領域默默耕耘、持續引領該領域發展的故事,科技日報記者專訪了李玉良院士。

    全球首創并命名石墨炔

    科技日報記者:請您介紹一下究竟什么是石墨炔?這種二維碳材料有哪些優點?

    李玉良:石墨炔是一個新的碳同素異形體,是由碳碳炔鍵(sp碳)將苯環(sp2碳)共軛連接形成二維平面網絡結構的全碳材料。

    由于具有豐富的碳化學鍵、大的共軛體系、天然的孔洞結構和本征帶隙等特征,石墨炔在生長、組裝和性能調控等方面表現出巨大優勢和先進性,將是推動催化、能源、光電轉換及新模式轉換和轉化等領域創新性發展的關鍵材料。

    2010年,我們研究團隊在世界上首次通過化學合成的方法大規模制備出了石墨炔薄膜,并用“石墨炔”對其進行命名。自此,石墨炔這種自然界不存在的物質第一次真實地呈現在人類面前,為碳材料家族增添了新成員。石墨炔的成功制備結束了合成化學不能制備全碳材料的歷史,開創了人工合成新型碳同素異形體的先例,開辟了碳材料研究新領域。

    科技日報記者:您和團隊是從什么時候開始研究石墨炔的?當初為什么要關注石墨炔研究?

    李玉良:我們從上世紀90年代中期開始探索平面碳的合成化學研究,合成到十幾個碳原子時,由于表面張力太大,合成過程很難控制。在這種情況下,我們的研究時斷時續。隨后,我們繼續探索了高溫固相合成、兩相和多相的界面生長等方法,發現這些方法的產物太復雜,很難分離,很難保證我們的研究有大的進步。

    直到2004年,石墨烯的發現強烈地觸動了我們。我們堅持初衷,經過6年的艱苦探索,在2010年利用我們創造的方法成功合成了具有二維結構的新碳同素異形體,并首次用中文命名為“石墨炔”。我們的專利覆蓋了所有含有三鍵的碳同素異形體。我們不斷豐富石墨炔的研究內涵,推動了石墨炔在諸多領域的基礎和應用研究。

    事實上,在石墨炔發現前,所有碳材料的電子結構都是sp3或sp2碳雜化,沒有sp和sp2碳共雜化形成的碳材料,像富勒烯、碳納米管以及石墨烯都是由sp2雜化形成,它們的共同特點是表面電荷分布均勻。

    然而,石墨炔是sp和sp2雜化形成的,其表面電荷分布極不均勻,表面活性很高,極易產生奇特的、不可預測的物理和化學性質。

    因此,石墨炔一直是科學家們期待探索的領域,也是碳材料領域一個重要的挑戰。這是我們為什么研究石墨炔的初衷。很高興,目前的研究表明,石墨炔在催化、儲能、光電、光熱轉化,信息智能、新模式的轉化與轉換以及生命科學等領域展示了變革性的性質和性能。

    持續引領石墨炔領域的研究

    科技日報記者:關于石墨炔的研究,國際上的競爭態勢是怎樣的?我國的石墨炔研究在國際上處于什么地位?

    李玉良:2010年石墨炔首次成功合成以來,我們研究團隊和國內主要研究團隊共同攻關,解決了石墨炔可控制備、生長及聚集態結構的形成等基礎科學問題,建立了石墨炔體系理論計算方法、結構表征技術等,并在催化、能源、光電、生命科學、智能信息和新模式物質轉化與轉換等領域取得了許多國際關注的原創性研究成果,在國際上持續引領該領域的研究。

    受我們開創的石墨炔研究的影響,科學家也發現了石墨炔很多優異的性質和應用,同時也發展了石墨炔的制備方法,探索了以sp和sp2兩種雜化碳形態存在的石墨炔的衍生結構,并開拓了石墨炔研究新方向,使石墨炔成為最有潛力的新材料之一。

    如今,世界上已經有60多個國家和地區的500多個研究團隊對石墨炔開展研究。在中科院科技戰略咨詢研究院、中科院文獻情報中心與科睿唯安等聯合向全球發布的《2020研究前沿》報告中,石墨炔研究已被列為化學與材料科學領域Top10熱點前沿之一。

    科技日報記者:在這么多年的石墨炔研究中,您和團隊遇到過哪些困難?

    李玉良:在石墨炔研究中,我們團隊遇到了很多重要挑戰和困難。比如,已發現的碳材料都是由sp2碳雜化組成的,我們要走出sp2碳這個傳統的研究氛圍,就必須要創造性地發展新方法,這是難度很大的。

    同時,從合成化學角度來看,還沒有通過合成化學在常溫常壓下合成全碳材料的先例,可想而知,這更增加了我們研究的難度;在合成的不可控性、合成過程的設計和反應的動力學、熱力學過程的控制等方面,我們沒有任何可以借鑒的經驗,這些都是面臨的嚴峻挑戰。

    此外,從上世紀九十年代中期到2005年前后,我國的儀器設備都比較陳舊,要表征出碳原子排列的分辨圖像,幾乎沒有可能,這也讓我們在結構表征上遇到了很大的困難。

    科技日報記者:您和團隊關于石墨炔的研究有什么最新進展?石墨炔目前已經展現了哪些潛在的應用前景?

    李玉良:目前,我們的石墨炔研究已在催化、能源、光電、生命科學、信息智能和新模式物質轉化與轉換等領域獲得了系列突破性進展,這些研究成果在國際上處于引領地位。

    比如,我們創造了零價的基于石墨炔金屬原子催化劑,建立了原子催化的新理念,這是電催化領域的一個很大的突破,實現了催化原子的最大化利用。

    同時,針對如何常溫常壓下實現高效合成氨這一難題,我們從理念創新開始,打破傳統催化劑面臨的難題,成功制備了常溫常壓下具有變革性催化性能的合成氨催化劑。目前,國際上固氮制氨產率最高的三個催化劑都來自于石墨炔體系。

    此外,基于石墨炔諸多的特殊性質,在儲能領域,我們提出了“炔-烯互變”的新概念,特別是在鋰電快充方面,改變傳統鋰電快充的機制,建立新的鋰電快充的模式。

    由于獨特的電子結構和化學結構,石墨炔在新氫能源轉換、光合作用制化學品、高效人工固氮、生命科學、智能信息等領域都具有變革性的應用潛力。

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