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新材料:石墨炔的最新发现

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  • 发布时间:2020-04-13 17:41
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【概要描述】石墨炔,由sp和sp2杂化形成的一种新型碳的同素异形体,它是由1,3-二炔键将苯环共轭连接形成二维平面网络结构,具有丰富的碳化学键,更大的共轭体系、宽面间距、多孔、优良的化学性能、热稳定性、半导体性能,以及力学、催化和磁学等性能,是继富勒烯、碳纳米管、石墨烯之后,一种新的全碳二维平面结构材料。

新材料:石墨炔的最新发现

【概要描述】石墨炔,由sp和sp2杂化形成的一种新型碳的同素异形体,它是由1,3-二炔键将苯环共轭连接形成二维平面网络结构,具有丰富的碳化学键,更大的共轭体系、宽面间距、多孔、优良的化学性能、热稳定性、半导体性能,以及力学、催化和磁学等性能,是继富勒烯、碳纳米管、石墨烯之后,一种新的全碳二维平面结构材料。

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石墨炔(Graphyne),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,具有丰富的碳化学键、更大的共轭体系、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。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。

 

 

01

石墨炔的发现

首先了解一下碳家族的发展历程

       2010年,李玉良团队提出了在铜箔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)的石墨炔薄膜,且第一次被李玉良等研究人员用汉语命名为“石墨炔”。

石墨炔,由sp和sp2杂化形成的一种新型碳的同素异形体,它是由1,3-二炔键将苯环共轭连接形成二维平面网络结构,具有丰富的碳化学键,更大的共轭体系、宽面间距、多孔、优良的化学性能、热稳定性、半导体性能,以及力学、催化和磁学等性能,是继富勒烯、碳纳米管、石墨烯之后,一种新的全碳二维平面结构材料。

著名杂志NanoTech2012年发布年度报告回顾了发现的几类重要材料,指出石墨炔的发现提升了对碳材料研究的强烈兴趣。并指出欧盟已将石墨炔等研究列入下一个框架计划,美、英等国也将其列入政府计划,并将石墨炔列入未来最具潜力和商业价值的材料。2015年该杂志以2015~2025二维材料机遇分析为专题,将石墨炔列为该专题的第七章进行评述。指出在电子、能源、航空航天、电信、医疗以及催化领域的重要潜在应用价值。

世界两大著名的商业信息公司Research and Markets公司和日商环球讯息有限公司评述了2019年前全球纳米技术和材料,将石墨炔列入最具潜力的纳米材料之一。

 

02

石墨炔的最新发现

 

2019年北京大学张锦教授课题组全面介绍GDY(石墨炔)和基于GDY材料的合成,以及它们的结构、电子、机械和光谱特性,以及它们在纳米技术中的应用。

详细参考:Graphdiyne:synthesis,properties,and.applications(Chem.Soc.Rev.2018,DOI:10.1039/c8cs00773j)

 

2020年科研团队开发出石墨炔基新型高效非金属电催化剂应用于燃料电池

      中国科学院青岛生物能源与过程研究所碳基材料与能源应用研究组,在制备高效低成本的金属-空气电池阴极催化剂方面开展了大量工作。

      在前期的研究中,该研究组已经先后研究了氮掺杂的类型对基于碳材料的电催化剂性能的影响;制备了吡啶氮选择性掺杂的碳基催化剂;以及过渡金属-氮共掺杂的催化剂。证明了吡啶氮对提高碳基电催化剂性能的重要作用,并制备了一系列低成本、高性能的电催化剂材料。

近期,该研究组成员基于前期工作,利用新型碳材料石墨炔特殊的化学制备方法,无需后掺杂,直接制备了只含有吡啶氮的吡啶石墨炔材料。X射线光电子能谱(XPS)和X射线吸收光谱(XAS)表明,所得催化剂中只含有吡啶氮。在电化学测试中,吡啶石墨炔表现出优于商业碳载铂催化剂的氧还原电催化性能。利用其作为锌-空电池阴极,其最大功率密度高于铂基锌-空气电池的最大功率密度,并具有比铂基电池更加优异的充放电稳定性,具有巨大的应用潜力。

近日,山东理工大学低维光电材料与器件团队在光学非线性领域研究中取得突破,他们发现石墨炔具有优异的紫外非线性特性,可“恰到好处”地吸收紫外线。相关成果已发表在国际知名期刊《纳米尺度》上。

      以石墨烯为代表的二维材料因为突出的物理、化学、生物特性,迎来了前所未有的研究热潮和广泛应用。作为石墨烯的同胞兄弟——石墨炔可能具有优于石墨烯的超快光电特性。

      山东理工大学低维课题组发现石墨炔具有优异的紫外非线性特性。紫外非线性特性有什么意义?团队负责人邢飞副教授告诉记者,紫外线是人体细胞的一大杀手。紫外非线性材料能够在紫外线强度比较低的情况下允许其通过,但若紫外线强度高于某一阈值,那么该材料就会神奇地将超额的紫外线阻挡,形成对生物细胞的保护,从而使其成为理想的紫外防护材料。

      此外,课题组还发现:碲烯作为另外一种新型二维材料,也具有一定的紫外非线性特性。研究团队的张芳博士告诉记者,虽然碲烯紫外非线性特性不如石墨炔那么强,但是碲烯可以在更宽泛的光谱范围表现出非线性防护特性。

石墨炔是未来最具潜力和商业价值的材料之一,它将在诸多领域得到广泛的应用。我们有理由期待石墨炔为我们带来的又一场材料革命。

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