石墨烯VS石墨炔:国内外“超级材料”之争?

2015-11-27 18:21:17来源: 科普中国 关键字:石墨烯  石墨炔  超级材料
    导言: 随着2010年诺贝尔物理学奖颁给了石墨烯的发明者

  ——两位英国物理学家安德烈和康斯坦丁,一时间科研圈掀起了一股石墨烯的研究热潮。石墨烯也成为了越来越多科学家选择的材料。

  同样是2010年,中科院化学所的研究人员经过潜心研究发明了碳家族的新成员:石墨炔,这是一个令人振奋的重大突破。

  人们不禁会问石墨炔最近发展得如何,石墨烯和石墨炔究竟孰优孰劣,“洋货”和“国货”谁更能主导未来的话语权?且听小编细细道来。

  碳家族的新成员

  合成、分离新的不同维数碳同素异形体是过去二三十年研究的焦点,科学家们先后发现了三维富勒烯、一维碳纳米管和二维石墨烯等新的碳同素异形体,这些材料均成为了国际学术研究的前沿和热点。碳材料可广泛应用于锂离子电池、超级电容器传感器、太阳能电池、催化载体以及纳微电子器件等领域研究。碳具有sp3、sp2和sp三种杂化态,通过不同杂化态可以形成多种碳的同素异形体,如:通过sp3杂化可以形成金刚石,通过sp3与sp2杂化则可以形成碳纳米管、富勒烯和石墨烯等。1996年化学诺贝尔奖被授予了3位富勒烯的发现者,2010年英国曼彻斯特大学的安德烈?海姆和康斯坦丁?诺沃肖洛夫由于在二维材料石墨烯方面开创性的研究被授予了诺贝尔物理奖,使得碳材料的研究进入了一个新的阶段,同时也激起了科学家们对新型碳的同素异形体的研究的热忱和兴趣。

  由于sp杂化态形成的碳碳三键具有线性结构、无顺反异构体和高共轭等优点,人们一直渴望能够获得具有sp杂化态的碳的新同素异形体,并认为该类碳材料具备优异的电学、光学和光电性能,将成为下一代新的电子光电器件的关键材料。就在这时,我国科学家经过努力在世界范围内首次见证了碳家族新成员的诞生——石墨炔。


碳家族全家福

  稻草还是黄金?

  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。

  一时间,世界还没有缓过神来。石墨烯是什么还似懂非懂,石墨炔是个什么鬼?更有部分脑洞大开的人已经在期待石墨烷了!正如一线明星有很多模仿者,借名人效应混迹江湖,人们一开始便认为石墨炔就是凭借石墨烯的光环成名的,盛名之下,其实难副。

  然而真的是这样吗?

  当人们抱着试试看的心态去了解石墨炔的时候,才猛然惊觉,这真是个宝贝,实在相见恨晚!

  2010年,中科院化学所有机固体院重点实验室研究人员利用六炔基苯在铜片的催化作用下发生偶联反应,成功地在铜片表面上通过化学方法合成了大面积碳的新同素异形体——石墨炔,这是在世界上首次大面积制备出了石墨炔薄膜。它具有丰富的碳化学键、大的共轭体系、宽面间距、优良的化学稳定性,被誉为是最稳定的一种人工合成的二炔碳的同素异形体。由于其特殊的电子结构及类似硅优异的半导体性能,石墨炔可以广泛应用于电子、半导体以及新能源领域。

  一直以来,人们总渴望能够获得具有sp杂化态的碳的新同素异形体,从而获得优异的性能。这么好的事情,为什么外国人做不出来,而我国科学家做出来了?


石墨炔的分子结构

  美丽的“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。

  渐渐地,人们开始怀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定向聚合提供了大的平面基底。

  通过访问李玉良研究员,我们了解到,石墨炔这一巨大的“意外”,其实是该课题组多年的经验积累。

  李玉良课题组从源头的分子设计开始进行研究,渐渐地试着合成一些分子的片段。但是仅仅是量变是不够的,直到有一天意外灵感的迸发——在阅读文献的过程中,李玉良研究员突然联想到了一种化学的方法有可能使石墨炔大面积成膜。于是,他们立即着手去做,质变发生了,世界震惊了!

  超级材料”的“超能力”

  早在1968年,前苏联物理学家就提出了“菲斯拉格理论”并预测了具有奇特性能的虚构材料,它们具有天然材料所不具备的超常物理性质,这种人工复合结构或者复合材料就是“超级材料”。而超级材料的超能力则来源于科学家们新颖的设计思想。超级材料的设计思想昭示着人们可以在不违背基本的物理学规律的前提下,人工获得与自然界中的物质具有迥然不同的超常物理性质的“新物质”,把功能材料的设计和开发带入一个崭新的天地。

  正是由于超级材料与众不同的超能力,使得新材料领域又掀起了一阵技术狂潮,各国都积极加入“超级材料”的研发行列。关于“超能力”的争夺战愈演愈烈,究竟谁的超能力更加夺人眼球?那些听起来遥远得如科幻电影般的桥段能否真的走出实验室走进人们的生活?正是由于对未来世界充满着期望与不确定,超级材料的争夺战也势必将是一个未知数。


超级材料示意图

  棋逢对手:石墨烯VS石墨炔

  作为碳元素家族的新贵,石墨烯自诞生以来就成为了“神奇材料”的代名词,各国的顶尖科研力量对它趋之若鹜,成就了它材料界翘楚的地位。然而石墨炔的出现,再次刷新了“石墨烯”这一新词的热度。二者棋逢对手,那么到底谁更胜一筹呢?

  先来说说石墨烯的非凡之处。

  石墨烯既是最薄的材料,也是最强韧的材料,断裂强度比最好的钢材还要高200倍。同时它又有很好的弹性,拉伸幅度能达到自身尺寸的20%。它是目前自然界最薄、强度最高的材料,如果用一块面积为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猫。

  石墨烯目前最有潜力的应用方向,是成为硅的替代品,制造超微型晶体管,用来生产未来的超级计算机。用石墨烯取代硅,计算机处理器的运行速度将会提升数百倍。

  另外,石墨烯几乎是完全透明的,只吸收2.3%的光。

  同时,它非常致密,即使是最小的气体原子(氦原子)也无法穿透。这些特征使得它非常适合作为透明电子产品的原料,如透明的触摸显示屏、发光板和太阳能电池板。

  作为目前发现的最薄、强度最大、导电导热性能最强的一种新型纳米材料,石墨烯被称为“黑金”,是“新材料之王”,科学家甚至预言石墨烯将“彻底改变21世纪”,极有可能掀起一场席卷全球的颠覆性新技术新产业革命。


石墨烯

  石墨炔,是继富勒烯、碳纳米管、石墨烯之后,一种新的全碳纳米结构材料。它是由sp和sp2杂化形成的一种新型碳的同素异形体,是由1,3-二炔键将苯环共轭连接形成的具有二维平面网络结构的全碳材料,具有丰富的碳化学键、大的共轭体系、宽面间距、优良的化学稳定性,被誉为是最稳定的一种人工合成的二炔碳的同素异形体。

  由于其特殊的电子结构及类似硅优异的半导体性能,石墨炔有望可以广泛应用于电子、半导体以及新能源领域。

  最近,中国科学院青岛生物能源与过程研究所能源应用技术分所研究员黄长水带领的研究小组与中科院化学研究所研究员李玉良合作,首次将石墨炔应用于锂离子电池电极材料,并对其电化学储锂性能及储锂机制进行了详细的分析研究,阐明了石墨炔结构、形貌与其电化学性能之间的构效关系,探索了石墨炔材料在锂电池中的应用,

  这些研究为石墨炔家族的储锂性能研究以及探索新型碳素储能材料提供了理论依据和实验指导。研究表明,石墨炔是一种非常理想的储锂材料,且其独特的结构更有利于锂离子在面内和面外的扩散和传输,这样赋予其非常好的倍率性能,从实践证明石墨炔是一种非常有前景的储锂能源材料,科学家也预测它在新能源领域将产生非比寻常的影响。


石墨炔应用于锂离子电池电极材料

  由此看来,在性能和应用前景方面,石墨炔的“超能力”丝毫不逊色于石墨烯,作为初登科学界风口浪尖的新型材料物质,来自中国的石墨炔成绩自然也不会差。国内外的“超级材料”之争才刚刚拉开序幕,石墨烯与石墨炔的对决还在继续,不过我们有理由相信,中国科学家势必会在这一次的高手过招中再下一城。

关键字:石墨烯  石墨炔  超级材料

编辑:鲁迪 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/afdz/2015/1127/article_9091.html
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