中國科學家開創(chuàng)石墨炔科學研究

石墨烯、富勒烯、碳納米管……這些碳材料的發(fā)現(xiàn)，都曾在科研圈掀起研究熱潮。2010年，石墨烯的發(fā)現(xiàn)者被授予諾貝爾物理學獎。就在同一年，中國科學院院士、中科院化學研究所研究員李玉良和團隊發(fā)現(xiàn)了一個碳材料家族的新成員：石墨炔。

和此前碳材料的發(fā)現(xiàn)一樣，石墨炔的發(fā)現(xiàn)同樣掀起了科學界的研究熱潮。但是，和此前碳材料研究都由國外科學家開創(chuàng)不同，石墨炔的發(fā)現(xiàn)與研究是國外科學家跟進中國科學家開展研究的實例。

在全國科技工作者日到來之際，為了全面呈現(xiàn)石墨炔研究的“前世今生”，講述我國科技工作者在石墨炔研究領(lǐng)域默默耕耘、持續(xù)引領(lǐng)該領(lǐng)域發(fā)展的故事，科技日報記者專訪了李玉良院士。

全球首創(chuàng)并命名石墨炔

科技日報記者：請您介紹一下，究竟什么是石墨炔？這種二維碳材料有哪些優(yōu)點？

李玉良：石墨炔是一個新的碳同素異形體，是由碳碳炔鍵（sp碳）將苯環(huán)（sp2碳）共軛連接形成二維平面網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的全碳材料。

由于具有豐富的碳化學鍵、大的共軛體系、天然的孔洞結(jié)構(gòu)和本征帶隙等特征，石墨炔在生長、組裝和性能調(diào)控等方面表現(xiàn)出巨大優(yōu)勢和先進性，將是推動催化、能源、光電轉(zhuǎn)換及新模式轉(zhuǎn)換和轉(zhuǎn)化等領(lǐng)域創(chuàng)新性發(fā)展的關(guān)鍵材料。

2010年，我們研究團隊在世界上首次通過化學合成的方法大規(guī)模制備出了石墨炔薄膜，并用“石墨炔”對其進行命名。自此，石墨炔這種自然界不存在的物質(zhì)第一次真實地呈現(xiàn)在人類面前，為碳材料家族增添了新成員。石墨炔的成功制備結(jié)束了合成化學不能制備全碳材料的歷史，開創(chuàng)了人工合成新型碳同素異形體的先例，開辟了碳材料研究新領(lǐng)域。

科技日報記者：您和團隊是從什么時候開始研究石墨炔的？當初為什么要關(guān)注石墨炔研究？

李玉良：我們從20世紀90年代中期開始探索平面碳的合成化學研究，合成到十幾個碳原子時，由于表面張力太大，合成過程很難控制。在這種情況下，我們的研究時斷時續(xù)。隨后，我們繼續(xù)探索了高溫固相合成、兩相和多相的界面生長等方法，發(fā)現(xiàn)這些方法的產(chǎn)物太復雜，很難分離，很難保證我們的研究有大的進步。

直到2004年，石墨烯的發(fā)現(xiàn)強烈地觸動了我們。我們堅持初衷，經(jīng)過6年的艱苦探索，在2010年利用我們創(chuàng)造的方法成功合成了具有二維結(jié)構(gòu)的新碳同素異形體，并首次用中文命名為“石墨炔”。我們的專利覆蓋了所有含有三鍵的碳同素異形體。我們不斷豐富石墨炔的研究內(nèi)涵，推動了石墨炔在諸多領(lǐng)域的基礎(chǔ)和應用研究。

事實上，在石墨炔發(fā)現(xiàn)前，所有碳材料的電子結(jié)構(gòu)都是sp3或sp2碳雜化，沒有sp和sp2碳共雜化形成的碳材料，像富勒烯、碳納米管以及石墨烯都是由sp2雜化形成，它們的共同特點是表面電荷分布均勻。

然而，石墨炔是sp和sp2雜化形成的，其表面電荷分布極不均勻，表面活性很高，極易產(chǎn)生奇特的、不可預測的物理和化學性質(zhì)。

因此，石墨炔一直是科學家們期待探索的領(lǐng)域，也是碳材料領(lǐng)域一個重要的挑戰(zhàn)。這是我們?yōu)槭裁囱芯渴驳某踔浴Ａ钊烁吲d的是，目前的研究表明，石墨炔在催化、儲能、光電、光熱轉(zhuǎn)化、信息智能、新模式的轉(zhuǎn)化與轉(zhuǎn)換以及生命科學等領(lǐng)域展示了變革性的性質(zhì)和性能。

持續(xù)引領(lǐng)石墨炔領(lǐng)域的研究

科技日報記者：關(guān)于石墨炔的研究，國際上的競爭態(tài)勢是怎樣的？我國的石墨炔研究在國際上處于什么地位？

李玉良：2010年石墨炔首次成功合成以來，我們研究團隊和國內(nèi)主要研究團隊共同攻關(guān)，解決了石墨炔可控制備、生長及聚集態(tài)結(jié)構(gòu)的形成等基礎(chǔ)科學問題，建立了石墨炔體系理論計算方法、結(jié)構(gòu)表征技術(shù)等，并在催化、能源、光電、生命科學、智能信息和新模式物質(zhì)轉(zhuǎn)化與轉(zhuǎn)換等領(lǐng)域取得了許多國際關(guān)注的原創(chuàng)性研究成果，在國際上持續(xù)引領(lǐng)該領(lǐng)域的研究。

受我們開創(chuàng)的石墨炔研究的影響，科學家也發(fā)現(xiàn)了石墨炔很多優(yōu)異的性質(zhì)和應用，同時也發(fā)展了石墨炔的制備方法，探索了以sp和sp2兩種雜化碳形態(tài)存在的石墨炔的衍生結(jié)構(gòu)，并開拓了石墨炔研究新方向，使石墨炔成為最有潛力的新材料之一。

如今，世界上已經(jīng)有60多個國家和地區(qū)的500多個研究團隊對石墨炔開展研究。在中科院科技戰(zhàn)略咨詢研究院、中科院文獻情報中心與科睿唯安等聯(lián)合向全球發(fā)布的《2020研究前沿》報告中，石墨炔研究已被列為化學與材料科學領(lǐng)域十大熱點前沿之一。

科技日報記者：在這么多年的石墨炔研究中，您和團隊遇到過哪些困難？

李玉良：在石墨炔研究中，我們團隊遇到了很多重要挑戰(zhàn)和困難。比如，已發(fā)現(xiàn)的碳材料都是由sp2碳雜化組成的，我們要走出sp2碳這個傳統(tǒng)的研究氛圍，就必須要創(chuàng)造性地發(fā)展新方法，這個難度是很大的。

同時，從合成化學角度來看，還沒有通過合成化學在常溫常壓下合成全碳材料的先例，可想而知，這更增加了我們研究的難度；在合成的不可控性以及合成過程的設(shè)計和反應的動力學、熱力學過程的控制等方面，我們沒有任何可以借鑒的經(jīng)驗，這些都是面臨的嚴峻挑戰(zhàn)。

此外，從20世紀90年代中期到2005年前后，我國的儀器設(shè)備都比較陳舊，要表征出碳原子排列的分辨圖像，幾乎沒有可能，這也讓我們在結(jié)構(gòu)表征上遇到了很大的困難。

科技日報記者：您和團隊關(guān)于石墨炔的研究有什么最新進展？石墨炔目前已經(jīng)展現(xiàn)了哪些潛在的應用前景？

李玉良：目前，我們的石墨炔研究已在催化、能源、光電、生命科學、信息智能和新模式物質(zhì)轉(zhuǎn)化與轉(zhuǎn)換等領(lǐng)域獲得了系列突破性進展，這些研究成果在國際上處于引領(lǐng)地位。

比如，我們創(chuàng)造了零價的基于石墨炔金屬原子催化劑，建立了原子催化的新理念，這是電催化領(lǐng)域的一個很大的突破，實現(xiàn)了催化原子的最大化利用。

同時，針對如何常溫常壓下實現(xiàn)高效合成氨這一難題，我們從理念創(chuàng)新開始，打破傳統(tǒng)催化劑面臨的難題，成功制備了常溫常壓下具有變革性催化性能的合成氨催化劑。目前，國際上固氮制氨產(chǎn)率最高的3個催化劑都來自于石墨炔體系。

此外，基于石墨炔諸多的特殊性質(zhì)，在儲能領(lǐng)域，我們提出了“炔—烯互變”的新概念，特別是在鋰電快充方面，改變傳統(tǒng)鋰電快充的機制，建立了新的鋰電快充模式。

由于獨特的電子結(jié)構(gòu)和化學結(jié)構(gòu)，石墨炔在新氫能源轉(zhuǎn)換、光合作用制化學品、高效人工固氮、生命科學、智能信息等領(lǐng)域都具有變革性的應用潛力。