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“超級材料”之爭：石墨烯vs石墨炔 誰將主導(dǎo)未來？

時(shí)間:2015-11-26 09:48來源:科普中國 作者:西顧
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       隨著2010年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)?lì)C給了石墨烯的發(fā)明者 --兩位英國物理學(xué)家安德烈和康斯坦丁，一時(shí)間科研圈掀起了一股石墨烯的研究熱潮。石墨烯也成為了越來越多科學(xué)家選擇的材料。
 
　　同樣是2010年，中科院化學(xué)所的研究人員經(jīng)過潛心研究發(fā)明了碳家族的新成員：石墨炔，這是一個(gè)令人振奮的重大突破。
 
　　人們不禁會(huì)問石墨炔最近發(fā)展得如何，石墨烯和石墨炔究竟孰優(yōu)孰劣，“洋貨”和“國貨”誰更能主導(dǎo)未來的話語權(quán)？且聽小編細(xì)細(xì)道來。
 
　　碳家族的新成員
 
　　合成、分離新的不同維數(shù)碳同素異形體是過去二三十年研究的焦點(diǎn)，科學(xué)家們先后發(fā)現(xiàn)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，這些材料均成為了國際學(xué)術(shù)研究的前沿和熱點(diǎn)。碳材料可廣泛應(yīng)用于鋰離子電池、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(lǐng)域研究。碳具有sp3、sp2和sp三種雜化態(tài)，通過不同雜化態(tài)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(xué)諾貝爾獎(jiǎng)被授予了3位富勒烯的發(fā)現(xiàn)者，2010年英國曼徹斯特大學(xué)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(chuàng)性的研究被授予了諾貝爾物理獎(jiǎng)，使得碳材料的研究進(jìn)入了一個(gè)新的階段，同時(shí)也激起了科學(xué)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(tài)形成的碳碳三鍵具有線性結(jié)構(gòu)、無順反異構(gòu)體和高共軛等優(yōu)點(diǎn)，人們一直渴望能夠獲得具有sp雜化態(tài)的碳的新同素異形體，并認(rèn)為該類碳材料具備優(yōu)異的電學(xué)、光學(xué)和光電性能，將成為下一代新的電子和光電器件的關(guān)鍵材料。就在這時(shí)，我國科學(xué)家經(jīng)過努力在世界范圍內(nèi)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，就在為石墨烯獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)歡呼雀躍之時(shí)，我國科學(xué)家在Chem. Commun.雜志上首次報(bào)道了碳家族新成員石墨炔的誕生。
 
　　一時(shí)間，世界還沒有緩過神來。石墨烯是什么還似懂非懂，石墨炔是個(gè)什么鬼？更有部分腦洞大開的人已經(jīng)在期待石墨烷了！正如一線明星有很多模仿者，借名人效應(yīng)混跡江湖，人們一開始便認(rèn)為石墨炔就是憑借石墨烯的光環(huán)成名的，盛名之下，其實(shí)難副。
 
　　然而真的是這樣嗎？
 
        當(dāng)人們抱著試試看的心態(tài)去了解石墨炔的時(shí)候，才猛然驚覺，這真是個(gè)寶貝，實(shí)在相見恨晚！
 
　　2010年，中科院化學(xué)所有機(jī)固體院重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究人員利用六炔基苯在銅片的催化作用下發(fā)生偶聯(lián)反應(yīng)，成功地在銅片表面上通過化學(xué)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(xué)鍵、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，石墨炔可以廣泛應(yīng)用于電子、半導(dǎo)體以及新能源領(lǐng)域。 
 
　　一直以來，人們總渴望能夠獲得具有sp雜化態(tài)的碳的新同素異形體，從而獲得優(yōu)異的性能。這么好的事情，為什么外國人做不出來，而我國科學(xué)家做出來了？
 
　　美麗的“意外”
 
　　1968 年著名理論家Baughman通過計(jì)算認(rèn)為石墨炔結(jié)構(gòu)可以穩(wěn)定存在，國際上的著名功能分子和高分子研究組都開始了相關(guān)的研究，但是并沒有獲得成功。
 
　　漸漸地，人們開始懷疑石墨炔是否能被人工合成。
 
　　直到2010年，中科院化學(xué)所李玉良研究員等提出了在銅片表面上通過化學(xué)方法原位合成石墨炔并首次成功地獲得了大面積(3. 61cm2)碳的新的同素異形體-石墨炔(graphdiyne) 薄膜。在這一過程中銅箔不僅作為交叉偶聯(lián)反應(yīng)的催化劑、生長基底，而且為石墨炔薄膜的生長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(shí)是該課題組多年的經(jīng)驗(yàn)積累。
 
　　李玉良課題組從源頭的分子設(shè)計(jì)開始進(jìn)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(fā)--在閱讀文獻(xiàn)的過程中，李玉良研究員突然聯(lián)想到了一種化學(xué)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(zhì)變發(fā)生了，世界震驚了！
 
　　“超級材料”的“超能力”
 
　　早在1968年，前蘇聯(lián)物理學(xué)家就提出了“菲斯拉格理論”并預(yù)測了具有奇特性能的虛構(gòu)材料，它們具有天然材料所不具備的超常物理性質(zhì)，這種人工復(fù)合結(jié)構(gòu)或者復(fù)合材料就是“超級材料”。而超級材料的超能力則來源于科學(xué)家們新穎的設(shè)計(jì)思想。超級材料的設(shè)計(jì)思想昭示著人們可以在不違背基本的物理學(xué)規(guī)律的前提下，人工獲得與自然界中的物質(zhì)具有迥然不同的超常物理性質(zhì)的“新物質(zhì)”，把功能材料的設(shè)計(jì)和開發(fā)帶入一個(gè)嶄新的天地。
 
　　正是由于超級材料與眾不同的超能力，使得新材料領(lǐng)域又掀起了一陣技術(shù)狂潮，各國都積極加入“超級材料”的研發(fā)行列。關(guān)于“超能力”的爭奪戰(zhàn)愈演愈烈，究竟誰的超能力更加奪人眼球？那些聽起來遙遠(yuǎn)得如科幻電影般的橋段能否真的走出實(shí)驗(yàn)室走進(jìn)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(zhàn)也勢必將是一個(gè)未知數(shù)。
 
棋逢對手：石墨烯VS石墨炔
 
　　作為碳元素家族的新貴，石墨烯自誕生以來就成為了“神奇材料”的代名詞，各國的頂尖科研力量對它趨之若鶩，成就了它材料界翹楚的地位。然而石墨炔的出現(xiàn)，再次刷新了“石墨烯”這一新詞的熱度。二者棋逢對手，那么到底誰更勝一籌呢？
 
　　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(qiáng)韌的材料，斷裂強(qiáng)度比最好的鋼材還要高200倍。同時(shí)它又有很好的彈性，拉伸幅度能達(dá)到自身尺寸的20%。它是目前自然界最薄、強(qiáng)度最高的材料，如果用一塊面積為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(yīng)用方向，是成為硅的替代品，制造超微型晶體管，用來生產(chǎn)未來的超級計(jì)算機(jī)。用石墨烯取代硅，計(jì)算機(jī)處理器的運(yùn)行速度將會(huì)提升數(shù)百倍。
　　另外，石墨烯幾乎是完全透明的，只吸收2.3%的光。
 
　　同時(shí)，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為透明電子產(chǎn)品的原料，如透明的觸摸顯示屏、發(fā)光板和太陽能電池板。
　　作為目前發(fā)現(xiàn)的最薄、強(qiáng)度最大、導(dǎo)電導(dǎo)熱性能最強(qiáng)的一種新型納米材料，石墨烯被稱為“黑金”，是“新材料之王”，科學(xué)家甚至預(yù)言石墨烯將“徹底改變21世紀(jì)”，極有可能掀起一場席卷全球的顛覆性新技術(shù)新產(chǎn)業(yè)革命。
 
　　石墨炔，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。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(huán)共軛連接形成的具有二維平面網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的全碳材料，具有豐富的碳化學(xué)鍵、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。
 
　　最近，中國科學(xué)院青島生物能源與過程研究所能源應(yīng)用技術(shù)分所研究員黃長水帶領(lǐng)的研究小組與中科院化學(xué)研究所研究員李玉良合作，首次將石墨炔應(yīng)用于鋰離子電池電極材料，并對其電化學(xué)儲鋰性能及儲鋰機(jī)制進(jìn)行了詳細(xì)的分析研究，闡明了石墨炔結(jié)構(gòu)、形貌與其電化學(xué)性能之間的構(gòu)效關(guān)系，探索了石墨炔材料在鋰電池中的應(yīng)用。
 
　　這些研究為石墨炔家族的儲鋰性能研究以及探索新型碳素儲能材料提供了理論依據(jù)和實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)。研究表明，石墨炔是一種非常理想的儲鋰材料，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鋰能源材料，科學(xué)家也預(yù)測它在新能源領(lǐng)域?qū)a(chǎn)生非比尋常的影響。 
 
　　由此看來，在性能和應(yīng)用前景方面，石墨炔的“超能力”絲毫不遜色于石墨烯，作為初登科學(xué)界風(fēng)口浪尖的新型材料物質(zhì)，來自中國的石墨炔成績自然也不會(huì)差。國內(nèi)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(xù)，不過我們有理由相信，中國科學(xué)家勢必會(huì)在這一次的高手過招中再下一城。
 
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    今年起，電動(dòng)汽車充電接口及通信協(xié)議5項(xiàng)國家標(biāo)準(zhǔn)正式開始實(shí)施，這意味著政府主管部門已從硬件技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)上規(guī)范充電設(shè)施的建設(shè)。 盡管硬件細(xì)節(jié)落地，但市場的軟件標(biāo)準(zhǔn)仍然缺失充電樁的運(yùn)營仍存問題。雖然充電基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)得到確定，但充電協(xié)議和支付端不兼容的
    2016-04-29 09:21
本月熱點(diǎn)

  • 注冊資本近1.15億元！兩巨頭成立電池回收企業(yè)

    近日，廣州優(yōu)美再生技術(shù)有限公司（以下簡稱廣州優(yōu)美）正式成立，公司由優(yōu)湃能源科技（廣州）有限公司與格林美集團(tuán)下屬武漢動(dòng)力電池再生技術(shù)有限公司有限公司（以下簡稱動(dòng)力再生）攜手打造。 據(jù)了解，廣州優(yōu)美注冊資本約1.15億人民幣，經(jīng)營范圍含化工產(chǎn)品銷售
    2024-04-16 10:29

  • 寧德時(shí)代、科達(dá)利、特斯拉等發(fā)力這一新賽道！

    4月22日，科達(dá)利發(fā)布公告稱，公司與臺灣盟立臺灣盟立、臺灣盟英擬共同投資深圳市科盟創(chuàng)新機(jī)器人科技有限公司（以下簡稱深圳科盟）并簽署《投資合作協(xié)議書》。深圳科盟并簽署《投資合作協(xié)議書》。深圳科盟注冊資本擬為人民幣1億元，其中公司以現(xiàn)金方式投入人
    2024-04-24 10:11

  • 續(xù)航里程1000公里！寧德時(shí)代發(fā)布神行PLUS電池

    4月25日，在2024北京車展上，寧德時(shí)代舉行乘用車新品發(fā)布會(huì)，發(fā)布神行PLUS電池，續(xù)航里程1000公里。同時(shí)，充電10分鐘可續(xù)航600公里。
    2024-04-25 17:53

  • 天奇股份牽手長安汽車 共同打造動(dòng)力電池全生命周期產(chǎn)業(yè)鏈閉環(huán)！

    天奇股份4月18日公告，擬與中國長安、長安汽車共同投資設(shè)立合資公司，并以合資公司為主體合作開展電池回收、梯次利用及再生業(yè)務(wù)。目標(biāo)打造成為西南區(qū)域領(lǐng)先的電池回收標(biāo)桿企業(yè)。 合資公司的注冊資本為1.8億元，其中公司擬出資8820萬元，持有合資公司49%的股
    2024-04-19 08:42

  • 50億元！這家公司擬在摩洛哥投建鋰電池負(fù)極材料項(xiàng)目

    4月26日晚間， 中科電氣 發(fā)布公告，宣布公司計(jì)劃通過其控股子公司湖南中科星城石墨有限公司，在中國香港或其他海外地區(qū)新設(shè)全資子公司， 以間接投資方式設(shè)立摩洛哥項(xiàng)目公司，實(shí)施一項(xiàng)年產(chǎn)10萬噸鋰離子電池負(fù)極材料一體化基地項(xiàng)目 。 據(jù)了解， 項(xiàng)目計(jì)劃總投資
    2024-04-29 18:25

  • 全固態(tài)電池三大技術(shù)路線，誰將最終勝出？

    近年來，憑借高密度、更安全性、壽命長等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是“最具潛力的下一代鋰電池技術(shù)”的固態(tài)電池受到市場關(guān)注，最新消息不斷。
    2024-04-22 18:17

  • 鋰礦龍頭一季度預(yù)虧超36億元，收深交所關(guān)注函！

    4月23日晚間，天齊鋰業(yè)發(fā)布業(yè)績預(yù)告，預(yù)計(jì)今年第一季度同比由盈轉(zhuǎn)虧。 同日晚間，深交所對天齊鋰業(yè)下發(fā)關(guān)注函，要求其結(jié)合主營業(yè)務(wù)開展情況、產(chǎn)品產(chǎn)銷量、產(chǎn)品價(jià)格等，分析2024年一季度虧損較2023年四季度大幅增加的原因，并說明是否存在持續(xù)虧損風(fēng)險(xiǎn)等。 鋰
    2024-04-25 09:30

  • 又有車企公布全固態(tài)電池量產(chǎn)時(shí)間！

    當(dāng)?shù)貢r(shí)間4月16日，日產(chǎn)汽車公開全固態(tài)電池試生產(chǎn)線的預(yù)定設(shè)置場所，在生產(chǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)等的橫濱工廠建筑內(nèi)確保了約1萬平方米空間，為搬入設(shè)備推進(jìn)施工。 日產(chǎn)計(jì)劃2025年3月開始生產(chǎn)全固態(tài)電池，目標(biāo)2028年度實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。據(jù)日產(chǎn)介紹，全固態(tài)電池的能量密度是傳統(tǒng)鋰離
    2024-04-18 08:43
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