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中国科学家全球首创并命名石墨炔

2022-5-28 15:07| 发布者: cncelab| 查看: 4689| 评论: 0|来自: 科技日报

摘要: 由于独特的电子结构和化学结构,石墨炔在新氢能源转换、光合作用制化学品、高效人工固氮、生命科学、智能信息等领域都具有变革性的应用潜力。
【消费电子实验室-2022/5/28】石墨烯、富勒烯、碳纳米管……这些碳材料的发现,都曾在科研圈掀起研究热潮。2010年,石墨烯的发现者被授予诺贝尔物理学奖。就在同一年,中国科学院院士、中科院化学研究所研究员李玉良和团队发现了一个碳材料家族的新成员:石墨炔。

石墨炔可控生长多层结构。受访者供图

和此前碳材料的发现一样,石墨炔的发现同样掀起了科学界的研究热潮。但是,和此前碳材料研究都由国外科学家开创不同,石墨炔的发现与研究是国外科学家跟进中国科学家开展研究的实例。

在全国科技工作者日即将到来之际,为全面呈现石墨炔研究的“前世今生”,讲述我国科技工作者在石墨炔研究领域默默耕耘、持续引领该领域发展的故事,科技日报记者专访了李玉良院士。

全球首创并命名石墨炔

科技日报记者:请您介绍一下究竟什么是石墨炔?这种二维碳材料有哪些优点?

李玉良:石墨炔是一个新的碳同素异形体,是由碳碳炔键(sp碳)将苯环(sp2碳)共轭连接形成二维平面网络结构的全碳材料。

由于具有丰富的碳化学键、大的共轭体系、天然的孔洞结构和本征带隙等特征,石墨炔在生长、组装和性能调控等方面表现出巨大优势和先进性,将是推动催化、能源、光电转换及新模式转换和转化等领域创新性发展的关键材料。

2010年,我们研究团队在世界上首次通过化学合成的方法大规模制备出了石墨炔薄膜,并用“石墨炔”对其进行命名。自此,石墨炔这种自然界不存在的物质第一次真实地呈现在人类面前,为碳材料家族增添了新成员。石墨炔的成功制备结束了合成化学不能制备全碳材料的历史,开创了人工合成新型碳同素异形体的先例,开辟了碳材料研究新领域。

科技日报记者:您和团队是从什么时候开始研究石墨炔的?当初为什么要关注石墨炔研究?

李玉良:我们从上世纪90年代中期开始探索平面碳的合成化学研究,合成到十几个碳原子时,由于表面张力太大,合成过程很难控制。在这种情况下,我们的研究时断时续。随后,我们继续探索了高温固相合成、两相和多相的界面生长等方法,发现这些方法的产物太复杂,很难分离,很难保证我们的研究有大的进步。

直到2004年,石墨烯的发现强烈地触动了我们。我们坚持初衷,经过6年的艰苦探索,在2010年利用我们创造的方法成功合成了具有二维结构的新碳同素异形体,并首次用中文命名为“石墨炔”。我们的专利覆盖了所有含有三键的碳同素异形体。我们不断丰富石墨炔的研究内涵,推动了石墨炔在诸多领域的基础和应用研究。

事实上,在石墨炔发现前,所有碳材料的电子结构都是sp3或sp2碳杂化,没有sp和sp2碳共杂化形成的碳材料,像富勒烯、碳纳米管以及石墨烯都是由sp2杂化形成,它们的共同特点是表面电荷分布均匀。

然而,石墨炔是sp和sp2杂化形成的,其表面电荷分布极不均匀,表面活性很高,极易产生奇特的、不可预测的物理和化学性质。

因此,石墨炔一直是科学家们期待探索的领域,也是碳材料领域一个重要的挑战。这是我们为什么研究石墨炔的初衷。很高兴,目前的研究表明,石墨炔在催化、储能、光电、光热转化,信息智能、新模式的转化与转换以及生命科学等领域展示了变革性的性质和性能。

持续引领石墨炔领域的研究

科技日报记者:关于石墨炔的研究,国际上的竞争态势是怎样的?我国的石墨炔研究在国际上处于什么地位?

李玉良:2010年石墨炔首次成功合成以来,我们研究团队和国内主要研究团队共同攻关,解决了石墨炔可控制备、生长及聚集态结构的形成等基础科学问题,建立了石墨炔体系理论计算方法、结构表征技术等,并在催化、能源、光电、生命科学、智能信息和新模式物质转化与转换等领域取得了许多国际关注的原创性研究成果,在国际上持续引领该领域的研究。

受我们开创的石墨炔研究的影响,科学家也发现了石墨炔很多优异的性质和应用,同时也发展了石墨炔的制备方法,探索了以sp和sp2两种杂化碳形态存在的石墨炔的衍生结构,并开拓了石墨炔研究新方向,使石墨炔成为最有潜力的新材料之一。

如今,世界上已经有60多个国家和地区的500多个研究团队对石墨炔开展研究。在中科院科技战略咨询研究院、中科院文献情报中心与科睿唯安等联合向全球发布的《2020研究前沿》报告中,石墨炔研究已被列为化学与材料科学领域Top10热点前沿之一。

科技日报记者:在这么多年的石墨炔研究中,您和团队遇到过哪些困难?

李玉良:在石墨炔研究中,我们团队遇到了很多重要挑战和困难。比如,已发现的碳材料都是由sp2碳杂化组成的,我们要走出sp2碳这个传统的研究氛围,就必须要创造性地发展新方法,这是难度很大的。

同时,从合成化学角度来看,还没有通过合成化学在常温常压下合成全碳材料的先例,可想而知,这更增加了我们研究的难度;在合成的不可控性、合成过程的设计和反应的动力学、热力学过程的控制等方面,我们没有任何可以借鉴的经验,这些都是面临的严峻挑战。

此外,从上世纪九十年代中期到2005年前后,我国的仪器设备都比较陈旧,要表征出碳原子排列的分辨图像,几乎没有可能,这也让我们在结构表征上遇到了很大的困难。

科技日报记者:您和团队关于石墨炔的研究有什么最新进展?石墨炔目前已经展现了哪些潜在的应用前景?

李玉良:目前,我们的石墨炔研究已在催化、能源、光电、生命科学、信息智能和新模式物质转化与转换等领域获得了系列突破性进展,这些研究成果在国际上处于引领地位。

比如,我们创造了零价的基于石墨炔金属原子催化剂,建立了原子催化的新理念,这是电催化领域的一个很大的突破,实现了催化原子的最大化利用。

同时,针对如何常温常压下实现高效合成氨这一难题,我们从理念创新开始,打破传统催化剂面临的难题,成功制备了常温常压下具有变革性催化性能的合成氨催化剂。目前,国际上固氮制氨产率最高的三个催化剂都来自于石墨炔体系。

此外,基于石墨炔诸多的特殊性质,在储能领域,我们提出了“炔-烯互变”的新概念,特别是在锂电快充方面,改变传统锂电快充的机制,建立新的锂电快充的模式。

由于独特的电子结构和化学结构,石墨炔在新氢能源转换、光合作用制化学品、高效人工固氮、生命科学、智能信息等领域都具有变革性的应用潜力。

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