“超級(jí)材料”之爭(zhēng)：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(guó) 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(guó)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(guó)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(guó)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(jí)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(guó)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(duì)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(guó)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(guó)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(guó)人做不出來，而我國(guó)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(guó)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(zhǎng)基底，而且為石墨炔薄膜的生長(zhǎng)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(jí)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(cè)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(jí)材料”。而超級(jí)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(jí)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(jí)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(guó)都積極加入“超級(jí)材料”的研發(fā)行列。關(guān)于“超能力”的爭(zhēng)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(duì)未來世界充滿著期望與不確定，超級(jí)材料的爭(zhēng)奪戰(zhàn)也勢(shì)必將是一個(gè)未知數(shù)。
 
棋逢對(duì)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(guó)的頂尖科研力量對(duì)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(duì)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(jí)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(chǎng)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(guó)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(zhǎng)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(duì)其電化學(xué)儲(chǔ)鋰性能及儲(chǔ)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(chǔ)鋰性能研究以及探索新型碳素儲(chǔ)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(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。 
 
　　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(guó)的石墨炔成績(jī)自然也不會(huì)差。國(guó)內(nèi)外的“超級(jí)材料”之爭(zhēng)才剛剛拉開序幕，石墨烯與石墨炔的對(duì)決還在繼續(xù)，不過我們有理由相信，中國(guó)科學(xué)家勢(shì)必會(huì)在這一次的高手過招中再下一城。
 
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    盡管有多重利空影響，但昨天在鋰電池板塊的帶動(dòng)下，大盤再次經(jīng)受住了2800點(diǎn)的考驗(yàn)，并企穩(wěn)反彈，收復(fù)5日均線。鋰電池板塊也成了近期能夠持續(xù)活躍的板塊。 私募認(rèn)為，沒有成交量，短線的反彈高度有限。操作上不要追高，可以關(guān)注低位個(gè)股。 機(jī)構(gòu)繼續(xù)搶籌 鋰電
    2016-05-18 16:19

  • 安瑞達(dá)：“專注+專業(yè)”搶占動(dòng)力隔膜市場(chǎng)

    核心提示：5月23日，備受業(yè)界矚目的2016第八屆高工鋰電產(chǎn)業(yè)高峰論壇暨2016高工金球獎(jiǎng)評(píng)選啟動(dòng)儀式將于深圳四季酒店舉辦。屆時(shí)，來自材料、設(shè)備、電池、BMS、整車等鋰電產(chǎn)業(yè)鏈企業(yè)的近400位嘉賓將共聚一堂，就當(dāng)前行業(yè)所面臨的機(jī)會(huì)和挑戰(zhàn)展開深度交流與探討。
    2016-05-18 13:31

  • 充電運(yùn)營(yíng)：“硬件”與“軟件”缺一不可

    今年起，電動(dòng)汽車充電接口及通信協(xié)議5項(xiàng)國(guó)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(chǎng)的軟件標(biāo)準(zhǔn)仍然缺失充電樁的運(yùn)營(yíng)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(cè)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(jiǎn)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(jiǎn)稱動(dòng)力再生）攜手打造。 據(jù)了解，廣州優(yōu)美注冊(cè)資本約1.15億人民幣，經(jīng)營(yíng)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(tái)灣盟立臺(tái)灣盟立、臺(tái)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(jiǎn)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(cè)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(zhǎng)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(guó)長(zhǎng)安、長(zhǎng)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(cè)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(guó)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(zhǎng)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(chǎng)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(jī)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(duì)天齊鋰業(yè)下發(fā)關(guān)注函，要求其結(jié)合主營(yíng)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(chǎng)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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