科学家制备新型碳基晶体材料，有望应用在电子器件和能源存储等领域

来源：DeepTech深科技

发(fā)展新的科学(de)材料和(hé)新的(de)结构，是家制基晶(shì)材料科学领域的(de)科研工(gōng)作(zuò)者的(de)主(zhǔ)要(yào)任务之一(yī) 。近年(nián)来，备新黄山3日游最佳路线探索更多新型(type)碳晶体材料 ，ǒzà并实现其基本性质和(hé)应用性能的碳体材(de)理性设计 ，是料有领域(shì)该(Should)领域研究人(rén)员的(de)重要(yào)研究方向 。

近期，应用源存中(zhōng)国(guó)科学技术大(dà)学团队采用电荷注入的器件(de)技术，将 α-氮化锂和(hé)碳 60 粉末混合并在(zài)中(zhōng)等温度条件下加热 ，科学成(chéng)功制备出(chū)了(le)克量级的家制基晶(de)长程有(yǒu)序多孔碳（long-range ordered porous carbon，LOPC）
。备新

“这(zhè)是ǒzà(shì)一(yī)种之前没有(yǒu)被报道过的(de)新型(type)碳晶体材料。”中(zhōng)国(guó)科学技术大(dà)学朱彦武教授表示 ，碳体材“从初步性质测量结果上(shàng)看，料有领域黄山3日游最佳路线LOPC 作(zuò)为(wéi)由碳 60 分(fèn)子组成(chéng)的应用源存(de)三维周期性晶体 ，同(tóng)时受到(dào)碳 60 分(fèn)子的(de)低维特性和(hé)晶体的(de)有(yǒu)序特征带来的(de)影响  ，其电子性质在(zài)一(yī)个(gè)很宽的(de)范围内可(kě)进行调(Tune)控。”

材料的(de)应用与其结构和(hé)性质息息相关。未来该(Should)团队计划对(duì) LOPC 进一(yī)步进行高精度调(Tune)节，使其在(zài)半导体 、电子器件 、光电探测 ，以(yǐ)及能源存储和(hé)能量转化等方面得到(dào)应用。

图丨朱彦武（来源 ：朱彦武）

中(zhōng)国(guó)科学技术大(dà)学潘飞(fly)特任副研究员  、倪堃特任副研究员和(hé)东南大(dà)学徐涛副教授为(wéi)该(Should)论文的(de)共同(tóng)第一(yī)作(zuò)者
，韩国(guó)基础科学研究所罗德尼·S·罗夫（Rodney. S. Ruoff）教授和(hé)中(zhōng)国(guó)科学技术大(dà)学朱彦武教授为(wéi)该(Should)论文的(de)共同(tóng)通讯作(zuò)者
。

据朱彦武介绍 ，该(Should)研究持续了(le)超过十年(nián)的(de)时间，主(zhǔ)要(yào)工(gōng)作(zuò)在(zài)最近三四年(nián)里集中(zhōng)进行 。“如果从对(duì)这(zhè)个(gè)方向的(de)思考算起，我(wǒ)们其实从 2011 年(nián)就(jiù)开始(beginning)了(le) 。”他(tā)说。

正是(shì)在(zài)那年(nián) ，他(tā)和(hé)罗夫团队在(zài) Science 上(shàng)发(fā)表了(le)一(yī)篇论文，报道了(le)通过化学活化方法，将石墨烯重构成(chéng)了(le)一(yī)种具有(yǒu)三维网络结构特征的(de)多孔碳材料 [2]。当时 ，罗夫教授在(zài)美国(guó)德克萨斯大(dà)学奥斯汀分(fèn)校 ，朱彦武还是(shì)他(tā)的(de)一(yī)名博士后。

“那时候我(wǒ)就(jiù)设想 ，如果这(zhè)个(gè)初始(beginning)材料不(bú)是(shì)石墨烯 ，而是(shì)富勒烯或碳纳米管等其他(tā)的(de)纳米单元  ，把它们连在(zài)一(yī)起，应该(Should)也(yě)可(kě)以(yǐ)得到(dào)更新的(de)、甚至可(kě)能具有(yǒu)周期性的(de)非常有(yǒu)序的(de)三维碳材料 。”朱彦武表示
。

回国(guó)开展独立研究之后 ，朱彦武团队就(jiù)开始(beginning)朝着这(zhè)个(gè)目标前进 。一(yī)开始(beginning)，他(tā)们仍然采用化学活化方法，却(but)发(fā)现该(Should)方法过于(yú)“剧烈” ，很容易(easy)破坏 60 个(gè)碳原子组成(chéng)的(de)结构，甚至将其剪切成(chéng)很小的(de)量子点。这(zhè)让他(tā)们感到(dào)十分(fèn)苦恼。

“我(wǒ)们又尝试了(le)很多种方法，一(yī)直没有(yǒu)找到(dào)既能保持碳 60 的(de)分(fèn)子结构基本不(bú)变，又能将它们连到(dào)一(yī)起的(de)方法。”他(tā)说，“这(zhè)个(gè)难题的(de)科学本质在(zài)于(yú)，我(wǒ)们需要(yào)一(yī)种更高精度的(de)制备手段
，实现对(duì)差异微小的(de)热力学状(shape)态分(fèn)辨和(hé)动(dòng)力学状(shape)态的(de)控制。”

于(yú)是(shì) ，研究进入到(dào)暂时的(de)停滞状(shape)态
 。直到(dào)三年(nián)前 ，研究组潘飞(fly)博士在(zài)开展另一(yī)项研究时，发(fā)现电荷注入技术有(yǒu)可(kě)能帮助他(tā)们实现目标 。

经过实验，他(tā)们发(fā)现该(Should)技术相较于(yú)活化的(de)“大(dà)火(fire)快煮”，更加接近“文火(fire)慢炖” ，利用一(yī)种细(thin)致温柔的(de)相互作(zuò)用，将碳 60 分(fèn)子连在(zài)一(yī)起。此后的(de)研究中(zhōng)，经过对(duì)多种参(Ginseng)数的(de)摸索，他(tā)们得到(dào)了(le) LOPC 这(zhè)种新的(de)晶体结构。

那么，这(zhè)项电荷注入技术还有(yǒu)其他(tā)什么优势呢 ？

很多年(nián)前科学家们就(jiù)发(fā)现
，将富勒烯堆积在(zài)一(yī)起，并给它施加一(yī)定的(de)温度和(hé)压力，就(jiù)可(kě)以(yǐ)促成(chéng)分(fèn)子间的(de)连接，得到(dào)新型(type)的(de)碳材料
。但通过这(zhè)种方式得到(dào)的(de)样品量非常少，结构也(yě)不(bú)均匀，还可(kě)能含有(yǒu)杂质 ，给系统探索该(Should)类新型(type)碳材料的(de)结构和(hé)应用带来了(le)阻碍。

“而电荷注入技术是(shì)一(yī)种化学制备方法，能够实现碳晶体材料的(de)大(dà)量制备 ，这(zhè)有(yǒu)利于(yú)我(wǒ)们对(duì)它进行详细(thin)研究，并探索它能在(zài)哪些方面获得应用，进而促进该(Should)方向的(de)发(fā)展 。”朱彦武解释说。

由于(yú) LOPC 是(shì)由纯的(de)碳原子构成(chéng)的(de)，而碳的(de)原子序数比较小，并且是(shì)三维结构，因此确认其原子级别精度的(de)结构细(thin)节极具挑战性，该(Should)团队几乎考虑了(le)所有(yǒu)能接触得到(dào)的(de)结构表征技术。

图丨微观结构表征（来源：Nature）

为(wéi)了(le)解决结构表征难题 ，他(tā)们先在(zài)东南大(dà)学孙立涛教授课题组的(de)帮助下，使用球差矫正的(de)高分(fèn)辨透射电子显微镜进行观察，后又通过当时尚处于(yú)试运行阶段的(de) 、位于(yú)广东东莞的(de)中(zhōng)国(guó)散裂中(zhōng)子源装置(Set)观察了(le)样品 ，并得到(dào)了(le)非常有(yǒu)用的(de)数据。

“这(zhè)些数据和(hé)其他(tā)数据合在(zài)一(yī)起 ，构成(chéng)了(le)相对(duì)完整的(de)证据链，帮助我(wǒ)们对(duì)晶体中(zhōng)的(de)原子结构特征获得了(le)更加清晰的(de)认识(knowledge)。”朱彦武说 。

从理论上(shàng)看 ，通过富勒烯分(fèn)子得到(dào)的(de)晶体结构具有(yǒu)非常多的(de)可(kě)能性 。通过计算机模拟和(hé)计算，该(Should)团队搜索出(chū)了(le)几十万种结构。

他(tā)表示：“因为(wéi)碳 60 之间的(de)连接方式有(yǒu)太多的(de)可(kě)能性，所以(yǐ)需要(yào)通过对(duì)照(According to)理论计算出(chū)来的(de)模型(type)特征 
，找出(chū)和(hé)实验结果符合得最好的(de)结构。”

但利用人(rén)工(gōng)从数十万个(gè)计算的(de)结构中(zhōng)筛选出(chū)目标结构显然非常困难，于(yú)是(shì)该(Should)团队的(de)倪堃博士发(fā)展了(le)一(yī)些特别的(de)筛选算法
，能按(according to)照(According to)一(yī)定的(de)筛选原则 ，将这(zhè)几十万种结构进行分(fèn)类
，并通过细(thin)化，最终给出(chū)了(le)最为(wéi)接近的(de)原子结构细(thin)节特征 。

“对(duì)于(yú)该(Should)项研究来说，我(wǒ)们不(bú)仅仅提出(chū)方法并制备出(chū)了(le)材料
，更重要(yào)的(de)是(shì)掌握了(le)从富勒烯开始(beginning)得到(dào)三维晶体材料的(de)结构演化特征，并了(le)解到(dào)在(zài)这(zhè)个(gè)演化路径上(shàng)还有(yǒu)非常多其他(tā)有(yǒu)趣的(de)新型(type)结构存在(zài)。希望我(wǒ)们取得的(de)进展，能够帮助碳材料领域的(de)其他(tā)研究人(rén)员拓宽思路，获得更多新型(type)碳材料，并发(fā)现更多有(yǒu)趣的(de)性质和(hé)有(yǒu)价(price)值的(de)应用 。”朱彦武最后说 。

参(Ginseng)考资料：

1. Pan, F., Ni, K., Xu, T. et al. Long-range ordered porous carbons produced from C60. Nature 614, 95–101 (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-022-05532-0

2.Zhu Y., Murali S., Stoller M. et al. Carbon-Based Supercapacitors Produced by Activation of Graphene. Science 332 , 6037, 1537-1541(2011). https://www.science.org/doi/10.1126/science.1200770

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：罗以(yǐ)

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