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石墨烯VS石墨炔:國內外“超級材料”之爭

時間:2015年11月28日 信息來源:本站原創

[摘要]隨著2010年諾貝爾物理學獎頒給了石墨烯的發明者——兩位英國物理學家安德烈和康斯坦丁,一時間科研圈掀起了一股石墨烯的研究熱潮。石墨烯也成爲了越來越多科學家選擇的材料。

石墨烯VS石墨炔:國內外“超級材料”之爭


碳家族全家福

——兩位英國物理學家安德烈和康斯坦丁,一時間科研圈掀起了一股石墨烯的研究熱潮。石墨烯也成爲了越來越多科學家選擇的材料。

同樣是2010年,中科院化學所的研究人員經過潛心研究發明了碳家族的新成員:石墨炔,這是一個令人振奮的重大突破。

人們不禁會問石墨炔最近發展得如何,石墨烯和石墨炔究竟孰優孰劣,“洋貨”和“國貨”誰更能主導未來的話語權?且聽小編細細道來。

碳家族的新成員

合成、分離新的不同維數碳同素異形體是過去二三十年研究的焦點,科學家們先後發現了三維富勒烯、一維碳納米管和二維石墨烯等新的碳同素異形體,這些材料均成爲了國際學術研究的前沿和熱點。碳材料可廣泛應用于锂離子電池、超級電容器、傳感器、太陽能電池、催化載體以及納微電子器件等領域研究。碳具有sp3、sp2和sp三種雜化態,通過不同雜化態可以形成多種碳的同素異形體,如:通過sp3雜化可以形成金剛石,通過sp3與sp2雜化則可以形成碳納米管、富勒烯和石墨烯等。1996年化學諾貝爾獎被授予了3位富勒烯的發現者,2010年英國曼徹斯特大學的安德烈?海姆和康斯坦丁?諾沃肖洛夫由于在二維材料石墨烯方面開創性的研究被授予了諾貝爾物理獎,使得碳材料的研究進入了一個新的階段,同時也激起了科學家們對新型碳的同素異形體的研究的熱忱和興趣。

由于sp雜化態形成的碳碳三鍵具有線性結構、無順反異構體和高共轭等優點,人們一直渴望能夠獲得具有sp雜化態的碳的新同素異形體,並認爲該類碳材料具備優異的電學、光學和光電性能,將成爲下一代新的電子和光電器件的關鍵材料。就在這時,我國科學家經過努力在世界範圍內首次見證了碳家族新成員的誕生——石墨炔。

稻草還是黃金?

2010年,就在为石墨烯获得诺贝尔物理学奖欢呼雀跃之时,我国科学家在Chem. Commun.杂志上首次报道了碳家族新成员石墨炔的诞生。

一時間,世界還沒有緩過神來。石墨烯是什麽還似懂非懂,石墨炔是個什麽鬼?更有部分腦洞大開的人已經在期待石墨烷了!正如一線明星有很多模仿者,借名人效應混迹江湖,人們一開始便認爲石墨炔就是憑借石墨烯的光環成名的,盛名之下,其實難副。

然而真的是這樣嗎?

當人們抱著試試看的心態去了解石墨炔的時候,才猛然驚覺,這真是個寶貝,實在相見恨晚!

2010年,中科院化學所有機固體院重點實驗室研究人員利用六炔基苯在銅片的催化作用下發生偶聯反應,成功地在銅片表面上通過化學方法合成了大面積碳的新同素異形體——石墨炔,這是在世界上首次大面積制備出了石墨炔薄膜。它具有豐富的碳化學鍵、大的共轭體系、寬面間距、優良的化學穩定性,被譽爲是最穩定的一種人工合成的二炔碳的同素異形體。由于其特殊的電子結構及類似矽優異的半導體性能,石墨炔可以廣泛應用于電子、半導體以及新能源領域。

一直以來,人們總渴望能夠獲得具有sp雜化態的碳的新同素異形體,從而獲得優異的性能。這麽好的事情,爲什麽外國人做不出來,而我國科學家做出來了?


石墨烯VS石墨炔:國內外“超級材料”之爭


石墨炔的分子結構

美麗的“意外”

1968 年著名理论家Baughman通过计算认为石墨炔结构可以稳定存在,国际上的著名功能分子和高分子研究组都开始了相关的研究,但是并没有获得成功。

漸漸地,人們開始懷疑石墨炔是否能被人工合成。

直到2010年,中科院化学所李玉良研究员等提出了在铜片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)碳的新的同素异形体-石墨炔(graphdiyne) 薄膜。在这一过程中铜箔不仅作为交叉偶联反应的催化剂、生长基底,而且为石墨炔薄膜的生长所需的定向聚合提供了大的平面基底。

通過訪問李玉良研究員,我們了解到,石墨炔這一巨大的“意外”,其實是該課題組多年的經驗積累。

李玉良課題組從源頭的分子設計開始進行研究,漸漸地試著合成一些分子的片段。但是僅僅是量變是不夠的,直到有一天意外靈感的迸發——在閱讀文獻的過程中,李玉良研究員突然聯想到了一種化學的方法有可能使石墨炔大面積成膜。于是,他們立即著手去做,質變發生了,世界震驚了!

“超級材料”的“超能力”

早在1968年,前蘇聯物理學家就提出了“菲斯拉格理論”並預測了具有奇特性能的虛構材料,它們具有天然材料所不具備的超常物理性質,這種人工複合結構或者複合材料就是“超級材料”。而超級材料的超能力則來源于科學家們新穎的設計思想。超級材料的設計思想昭示著人們可以在不違背基本的物理學規律的前提下,人工獲得與自然界中的物質具有迥然不同的超常物理性質的“新物質”,把功能材料的設計和開發帶入一個嶄新的天地。

正是由于超級材料與衆不同的超能力,使得新材料領域又掀起了一陣技術狂潮,各國都積極加入“超級材料”的研發行列。關于“超能力”的爭奪戰愈演愈烈,究竟誰的超能力更加奪人眼球?那些聽起來遙遠得如科幻電影般的橋段能否真的走出實驗室走進人們的生活?正是由于對未來世界充滿著期望與不確定,超級材料的爭奪戰也勢必將是一個未知數。


石墨烯VS石墨炔:國內外“超級材料”之爭


超級材料示意圖

棋逢對手:石墨烯VS石墨炔

作爲碳元素家族的新貴,石墨烯自誕生以來就成爲了“神奇材料”的代名詞,各國的頂尖科研力量對它趨之若鹜,成就了它材料界翹楚的地位。然而石墨炔的出現,再次刷新了“石墨烯”這一新詞的熱度。二者棋逢對手,那麽到底誰更勝一籌呢?

先來說說石墨烯的非凡之處。

石墨烯既是最薄的材料,也是最強韌的材料,斷裂強度比最好的鋼材還要高200倍。同時它又有很好的彈性,拉伸幅度能達到自身尺寸的20%。它是目前自然界最薄、強度最高的材料,如果用一塊面積爲1平方米的石墨烯做成吊床,本身重量不足1毫克可以承受一只一千克的貓。

石墨烯目前最有潛力的應用方向,是成爲矽的替代品,制造超微型晶體管,用來生産未來的超級計算機。用石墨烯取代矽,計算機處理器的運行速度將會提升數百倍。

另外,石墨烯幾乎是完全透明的,只吸收2.3%的光。

同時,它非常致密,即使是最小的氣體原子(氦原子)也無法穿透。這些特征使得它非常適合作爲透明電子産品的原料,如透明的觸摸顯示屏、發光板和太陽能電池板。

作爲目前發現的最薄、強度最大、導電導熱性能最強的一種新型納米材料,石墨烯被稱爲“黑金”,是“新材料之王”,科學家甚至預言石墨烯將“徹底改變21世紀”,極有可能掀起一場席卷全球的顛覆性新技術新産業革命。


石墨烯VS石墨炔:國內外“超級材料”之爭


石墨烯

石墨炔,是繼富勒烯、碳納米管、石墨烯之後,一種新的全碳納米結構材料。它是由sp和sp2雜化形成的一種新型碳的同素異形體,是由1,3-二炔鍵將苯環共轭連接形成的具有二維平面網絡結構的全碳材料,具有豐富的碳化學鍵、大的共轭體系、寬面間距、優良的化學穩定性,被譽爲是最穩定的一種人工合成的二炔碳的同素異形體。

由于其特殊的電子結構及類似矽優異的半導體性能,石墨炔有望可以廣泛應用于電子、半導體以及新能源領域。

最近,中國科學院青島生物能源與過程研究所能源應用技術分所研究員黃長水帶領的研究小組與中科院化學研究所研究員李玉良合作,首次將石墨炔應用于锂離子電池電極材料,並對其電化學儲锂性能及儲锂機制進行了詳細的分析研究,闡明了石墨炔結構、形貌與其電化學性能之間的構效關系,探索了石墨炔材料在锂電池中的應用,

這些研究爲石墨炔家族的儲锂性能研究以及探索新型碳素儲能材料提供了理論依據和實驗指導。研究表明,石墨炔是一種非常理想的儲锂材料,且其獨特的結構更有利于锂離子在面內和面外的擴散和傳輸,這樣賦予其非常好的倍率性能,從實踐證明石墨炔是一種非常有前景的儲锂能源材料,科學家也預測它在新能源領域將産生非比尋常的影響。


石墨烯VS石墨炔:國內外“超級材料”之爭


石墨炔應用于锂離子電池電極材料

由此看來,在性能和應用前景方面,石墨炔的“超能力”絲毫不遜色于石墨烯,作爲初登科學界風口浪尖的新型材料物質,來自中國的石墨炔成績自然也不會差。國內外的“超級材料”之爭才剛剛拉開序幕,石墨烯與石墨炔的對決還在繼續,不過我們有理由相信,中國科學家勢必會在這一次的高手過招中再下一城。


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