石墨炔
石墨炔 性質(zhì)
石墨炔（Graphyne），是繼富勒烯、碳納米管、石墨烯之后，一種新的全碳納米結(jié)構(gòu)材料，具有豐富的碳化學(xué)鍵、更大的共軛體系、寬面間距、優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性，被譽(yù)為是最穩(wěn)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(jié)構(gòu)及類似硅優(yōu)異的半導(dǎo)體性能，石墨炔有望可以廣泛應(yīng)用于電子、半導(dǎo)體以及新能源領(lǐng)域。研究表明，石墨炔是一種非常理想的儲(chǔ)鋰材料，且其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)更有利于鋰離子在面內(nèi)和面外的擴(kuò)散和傳輸，這樣賦予其非常好的倍率性能，從實(shí)踐證明石墨炔是一種非常有前景的儲(chǔ)鋰能源材料，科學(xué)家也預(yù)測(cè)它在新能源領(lǐng)域?qū)a(chǎn)生非比尋常的影響。近三十年來(lái)，科學(xué)家們一直致力于發(fā)展新的方法合成新的碳的同素異形體，探索其新的性能，并先后發(fā)現(xiàn)了富勒烯、碳納米管和石墨烯等新的碳的同素異形體，并成為了國(guó)際學(xué)術(shù)研究的前沿和熱點(diǎn)。首先了解一下碳家族的發(fā)展歷程。
2010年，李玉良團(tuán)隊(duì)提出了在銅箔表面上通過(guò)化學(xué)方法原位合成石墨炔并首次成功地獲得了大面積(3.61cm2)的石墨炔薄膜，且第一次被李玉良等研究人員用漢語(yǔ)命名為“石墨炔”。
石墨炔，由sp和sp2雜化形成的一種新型碳的同素異形體，它是由1，3-二炔鍵將苯環(huán)共軛連接形成二維平面網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，具有豐富的碳化學(xué)鍵，更大的共軛體系、寬面間距、多孔、優(yōu)良的化學(xué)性能、熱穩(wěn)定性、半導(dǎo)體性能，以及力學(xué)、催化和磁學(xué)等性能，是繼富勒烯、碳納米管、石墨烯之后，一種新的全碳二維平面結(jié)構(gòu)材料。
著名雜志NanoTech2012年發(fā)布年度報(bào)告回顧了發(fā)現(xiàn)的幾類重要材料，指出石墨炔的發(fā)現(xiàn)提升了對(duì)碳材料研究的強(qiáng)烈興趣。并指出歐盟已將石墨炔等研究列入下一個(gè)框架計(jì)劃，美、英等國(guó)也將其列入政府計(jì)劃，并將石墨炔列入未來(lái)最具潛力和商業(yè)價(jià)值的材料。2015年該雜志以2015~2025二維材料機(jī)遇分析為專題，將石墨炔列為該專題的第七章進(jìn)行評(píng)述。指出在電子、能源、航空航天、電信、醫(yī)療以及催化領(lǐng)域的重要潛在應(yīng)用價(jià)值。
世界兩大著名的商業(yè)信息公司Research and Markets公司和日商環(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，將石墨炔列入最具潛力的納米材料之一。石墨炔獨(dú)特的分子構(gòu)型和電子結(jié)構(gòu)，使其具有優(yōu)異的電學(xué)、光學(xué)和光電性能, 在電子、儲(chǔ)能、催化、光電等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用前景。
石墨炔是理想的鋰離子電池負(fù)極材料。石墨炔的形貌改變、雜原子的摻雜及共軛結(jié)構(gòu)的增大，都會(huì)有效增加材料中儲(chǔ)存鋰離子的活性位點(diǎn)，從而提高石墨炔作為鋰離子電池負(fù)極材料的電學(xué)性質(zhì)及儲(chǔ)鋰性能。
在銅納米線上進(jìn)行石墨炔的原位生長(zhǎng)可以制備超薄石墨炔納米片，它表現(xiàn)出優(yōu)異的電化學(xué)性能，包括高比容量、優(yōu)異的速率性能、長(zhǎng)的循環(huán)壽命，即使在20 A?g?1 的高電流密度下長(zhǎng)期循環(huán)之后，仍然可以獲得高達(dá)449.8 mA?h?g?1 的高容量；氯原子摻雜石墨炔能夠提高更多的活性位點(diǎn)并構(gòu)成大孔洞結(jié)構(gòu)來(lái)儲(chǔ)存鋰離子，使得氯摻雜石墨炔在50 mA?g?1 的電流密度下進(jìn)行充放電測(cè)試，電池比容量可達(dá)到1150 mA?h?g?1，在2 A?g?1 的電流密度下其比容量為500 mA?h?g?1，并可循環(huán)200 圈不衰減；富氫石墨炔薄膜可以作為柔性電極材料，氫原子的引入增加了石墨炔的比表面及電導(dǎo)性，并利于鋰原子的結(jié)合和傳輸擴(kuò)散，從而使鋰離子電池的比容量及性能得到顯著提高，這為柔性電極材料的設(shè)計(jì)及制備提供了方法及思路。
石墨炔的高導(dǎo)電性和固有的面內(nèi)傳輸孔道能夠加速電子和離子的傳輸，結(jié)合石墨炔在基底表面的易原位生長(zhǎng)的制備優(yōu)勢(shì)，可以將其作為電極(如硅電極、氧化物電極等)的包覆材料，有效地解決電極在長(zhǎng)期循環(huán)過(guò)程中導(dǎo)致的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)崩塌及界面接觸問(wèn)題，提高比容量和循環(huán)穩(wěn)定性能。另外，石墨炔在鈉離子電池、超級(jí)電容器等能源存儲(chǔ)器件中也有重要的潛在應(yīng)用。六炔基苯是制備石墨炔的理想單體，但其在空氣中不穩(wěn)定，自身可以發(fā)生交叉偶聯(lián)反應(yīng)，是科研工作者制備過(guò)程中的難題。實(shí)驗(yàn)表明，通過(guò)惰性氣體的保護(hù)可以避免六炔基苯的氧化變質(zhì)，同時(shí)降低反應(yīng)前體的濃度也可以有效減少六炔基苯自身的交叉偶聯(lián)反應(yīng)。2010 年，李玉良院士課題組以銅箔為生長(zhǎng)基底和催化劑，在吡啶溶液中由六炔基苯在銅箔表面發(fā)生高度有序的炔炔偶聯(lián)反應(yīng)并不斷生長(zhǎng)，從而成功制備了大面積(3.61 cm2)的石墨炔薄膜。石墨炔的成功制備，是世界上首次通過(guò)化學(xué)的方法獲得的全碳材料，開辟了人工化學(xué)合成碳同素異形體的先例。隨后，石墨炔的制備方法得到更多的探索和改良，如模板法、加熱法、液液界面法、氣相沉積法等，并用拉曼光譜Raman、X 射線衍射(XRD)、X 射線光電子能譜(XPS)、掃面電子顯微鏡(SEM)、透射電子顯微鏡(TEM)等一系列方法對(duì)其表征。
2010年，李玉良團(tuán)隊(duì)提出了在銅箔表面上通過(guò)化學(xué)方法原位合成石墨炔并首次成功地獲得了大面積(3.61cm2)的石墨炔薄膜，且第一次被李玉良等研究人員用漢語(yǔ)命名為“石墨炔”。
石墨炔，由sp和sp2雜化形成的一種新型碳的同素異形體，它是由1，3-二炔鍵將苯環(huán)共軛連接形成二維平面網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，具有豐富的碳化學(xué)鍵，更大的共軛體系、寬面間距、多孔、優(yōu)良的化學(xué)性能、熱穩(wěn)定性、半導(dǎo)體性能，以及力學(xué)、催化和磁學(xué)等性能，是繼富勒烯、碳納米管、石墨烯之后，一種新的全碳二維平面結(jié)構(gòu)材料。
著名雜志NanoTech2012年發(fā)布年度報(bào)告回顧了發(fā)現(xiàn)的幾類重要材料，指出石墨炔的發(fā)現(xiàn)提升了對(duì)碳材料研究的強(qiáng)烈興趣。并指出歐盟已將石墨炔等研究列入下一個(gè)框架計(jì)劃，美、英等國(guó)也將其列入政府計(jì)劃，并將石墨炔列入未來(lái)最具潛力和商業(yè)價(jià)值的材料。2015年該雜志以2015~2025二維材料機(jī)遇分析為專題，將石墨炔列為該專題的第七章進(jìn)行評(píng)述。指出在電子、能源、航空航天、電信、醫(yī)療以及催化領(lǐng)域的重要潛在應(yīng)用價(jià)值。
世界兩大著名的商業(yè)信息公司Research and Markets公司和日商環(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，將石墨炔列入最具潛力的納米材料之一。石墨炔獨(dú)特的分子構(gòu)型和電子結(jié)構(gòu)，使其具有優(yōu)異的電學(xué)、光學(xué)和光電性能, 在電子、儲(chǔ)能、催化、光電等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用前景。
石墨炔是理想的鋰離子電池負(fù)極材料。石墨炔的形貌改變、雜原子的摻雜及共軛結(jié)構(gòu)的增大，都會(huì)有效增加材料中儲(chǔ)存鋰離子的活性位點(diǎn)，從而提高石墨炔作為鋰離子電池負(fù)極材料的電學(xué)性質(zhì)及儲(chǔ)鋰性能。
在銅納米線上進(jìn)行石墨炔的原位生長(zhǎng)可以制備超薄石墨炔納米片，它表現(xiàn)出優(yōu)異的電化學(xué)性能，包括高比容量、優(yōu)異的速率性能、長(zhǎng)的循環(huán)壽命，即使在20 A?g?1 的高電流密度下長(zhǎng)期循環(huán)之后，仍然可以獲得高達(dá)449.8 mA?h?g?1 的高容量；氯原子摻雜石墨炔能夠提高更多的活性位點(diǎn)并構(gòu)成大孔洞結(jié)構(gòu)來(lái)儲(chǔ)存鋰離子，使得氯摻雜石墨炔在50 mA?g?1 的電流密度下進(jìn)行充放電測(cè)試，電池比容量可達(dá)到1150 mA?h?g?1，在2 A?g?1 的電流密度下其比容量為500 mA?h?g?1，并可循環(huán)200 圈不衰減；富氫石墨炔薄膜可以作為柔性電極材料，氫原子的引入增加了石墨炔的比表面及電導(dǎo)性，并利于鋰原子的結(jié)合和傳輸擴(kuò)散，從而使鋰離子電池的比容量及性能得到顯著提高，這為柔性電極材料的設(shè)計(jì)及制備提供了方法及思路。
石墨炔的高導(dǎo)電性和固有的面內(nèi)傳輸孔道能夠加速電子和離子的傳輸，結(jié)合石墨炔在基底表面的易原位生長(zhǎng)的制備優(yōu)勢(shì)，可以將其作為電極(如硅電極、氧化物電極等)的包覆材料，有效地解決電極在長(zhǎng)期循環(huán)過(guò)程中導(dǎo)致的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)崩塌及界面接觸問(wèn)題，提高比容量和循環(huán)穩(wěn)定性能。另外，石墨炔在鈉離子電池、超級(jí)電容器等能源存儲(chǔ)器件中也有重要的潛在應(yīng)用。六炔基苯是制備石墨炔的理想單體，但其在空氣中不穩(wěn)定，自身可以發(fā)生交叉偶聯(lián)反應(yīng)，是科研工作者制備過(guò)程中的難題。實(shí)驗(yàn)表明，通過(guò)惰性氣體的保護(hù)可以避免六炔基苯的氧化變質(zhì)，同時(shí)降低反應(yīng)前體的濃度也可以有效減少六炔基苯自身的交叉偶聯(lián)反應(yīng)。2010 年，李玉良院士課題組以銅箔為生長(zhǎng)基底和催化劑，在吡啶溶液中由六炔基苯在銅箔表面發(fā)生高度有序的炔炔偶聯(lián)反應(yīng)并不斷生長(zhǎng)，從而成功制備了大面積(3.61 cm2)的石墨炔薄膜。石墨炔的成功制備，是世界上首次通過(guò)化學(xué)的方法獲得的全碳材料，開辟了人工化學(xué)合成碳同素異形體的先例。隨后，石墨炔的制備方法得到更多的探索和改良，如模板法、加熱法、液液界面法、氣相沉積法等，并用拉曼光譜Raman、X 射線衍射(XRD)、X 射線光電子能譜(XPS)、掃面電子顯微鏡(SEM)、透射電子顯微鏡(TEM)等一系列方法對(duì)其表征。