石墨炔：开辟碳材料新世界

作者 | 李丹 甘晓

2014年起，中国科学院启动战略性先导科技专项（B类）“功能pi(π)-体系的分子工程”（以下简称“先导专项”）。

在先导专项支持的5年工作里，由中国科学院院士朱道本、万立骏担任首席科学家，来自中国科学院化学研究所、长春应用化学研究所、上海有机化学研究所以及微电子研究所等多家单位的科研人员通力合作，产生一批原创性的具有世界领先水平的创新成果。

从12月10日起，《中国科学报》盘点该项目支持下，科学家在6个不同领域取得的成果。

领域一 | 有机热电材料：未来绿色能源新翘楚

领域二

石墨炔：开辟碳材料新世界

石墨炔的应用

在化学家眼里，“一颗恒永久”的钻石和黑乎乎的石墨粉都代表同一种元素——碳。

他们用“杂化态”的概念来区分这些看上去差异很大的碳。例如，sp³杂化可以形成金刚石，sp³与sp²杂化则可以形成碳纳米管、富勒烯和石墨烯等。

sp和sp²杂化共存则形成一种特殊的二维碳材料——石墨炔。

这种新材料理论上具有独特的物理和化学性质。科学家们一直非常期待，石墨炔能够成为下一代新的电子和光电器件的关键材料。

2010年，中科院化学所研究员李玉良领导的科研团队首次制备了二维碳同素异形体石墨炔（GDY）。

在中国科学院战略性先导科技专项（B类）“功能pi(π)-体系的分子工程”支持下，研究人员合成出不同形态的石墨炔，通过杂原子掺杂实现了石墨炔的重要功能，并深入探索了石墨炔在许多方面的应用潜力。

他们开发了一种新方法，使用铜纳米线作为催化剂来大规模制备平均厚度只有1.9纳米的高质量超薄石墨炔纳米片。

同时通过“周环置换反应”成功在薄层石墨炔上引入了新型sp杂化氮原子，带来了优异的氧化还原性能。

在石墨炔应用上，研究人员尝试将石墨炔掺入太阳能电池，首次将石墨炔作为电池活性层的主体材料，当石墨炔活性材料含量为25%时，制备的钙钛矿太阳能电池效率最高可达21.01%。

李玉良介绍，最近，石墨炔在电催化方面展现的不俗实力令科学家们感到格外振奋。

研究团队首次提出了一种制备原子催化剂的新策略，并成功制得了锚定于石墨炔表面相互独立的零价镍/铁原子催化剂。

通过电化学还原，这种原子催化剂能将氮气或水高选择性、高效率地转变为无碳燃料——氨或氢气，这为解决不断加剧的能源和环境问题提供了巨大的希望。

“所有这些发表的研究成果都是石墨炔领域标杆性成果，显示了石墨炔作为材料应用的巨大潜力。”国际评估专家表示。

在科学家们看来，作为具有中国自主知识产权的新材料，石墨炔将为新型碳材料的基础研究及未来应用开辟新世界。