石墨炔：從合成到應(yīng)用

劉鳴華，李玉良

1國家納米科學(xué)中心，北京 100190

2中國科學(xué)院化學(xué)研究所，北京 100190

石墨炔是一種新型碳的同素異形體，是由 sp和 sp2兩種雜化形式的碳原子組成的二維層狀材料1。具有中國自主知識產(chǎn)權(quán)的石墨炔自2010年被首次成功合成以來，吸引了全世界來自化學(xué)、物理、材料、生物和電子等學(xué)科的科學(xué)家對其進(jìn)行探索2。石墨炔獨特的納米級孔隙、二維層狀共軛骨架結(jié)構(gòu)及半導(dǎo)體性質(zhì)等特性，使之在能源、電化學(xué)、光催化、光學(xué)、電子學(xué)等諸多領(lǐng)域優(yōu)勢顯著3。石墨炔的基礎(chǔ)和應(yīng)用研究已取得了重要成果，并迅速形成了一個新領(lǐng)域。本專輯中收集了我國部分科學(xué)家在相關(guān)領(lǐng)域的研究成果，文章將展示石墨炔的理論研究，實驗合成、修飾、結(jié)構(gòu)表征、性質(zhì)研究與應(yīng)用方面的最新進(jìn)展。

帥志剛等4對石墨炔，以及錫烯等層狀體系的電子結(jié)構(gòu)、形變勢、電聲耦合和電荷輸運性質(zhì)進(jìn)行了回顧。指出具有獨特電子結(jié)構(gòu)和高遷移率的石墨炔能成為繼石墨烯之后未來的納米電子器件材料。此外他們還分析了形變勢方法對石墨烯和石墨炔等二維材料研究的適用性。張勝利等5使用第一性原理計算研究了單層石墨炔的納米帶電子輸運性質(zhì)和及石墨炔對小分子的吸附。從能帶、載流子濃度等方面全面探討了Sc、Ti摻雜石墨炔對甲醛分子(HCHO)的響應(yīng)。研究了石墨炔與氨基酸分子間相互作用，研究了吸附氨基酸對石墨炔電子輸運的影響，探討石墨炔在生物傳感方面的潛在應(yīng)用。

張錦等6總結(jié)了石墨炔合成方法的研究進(jìn)展，包括有機全合成、表面在位化學(xué)反應(yīng)和溶液相聚合反應(yīng)等幾個方面。石墨炔中炔鍵單元的高活性為其化學(xué)修飾與摻雜提供了良好的平臺，李玉良等7介紹了石墨炔的非金屬雜原子摻雜、金屬原子修飾以及表面改性，并深入探討摻雜與衍生化對石墨炔材料的電子性質(zhì)的影響及其對光電化學(xué)催化性能的協(xié)同增強。崔曉莉等8以碳化鈣和三溴苯為原料，通過機械化學(xué)方法合成了氫取代石墨單炔，發(fā)現(xiàn)其為p型半導(dǎo)體，帶隙為2.30 eV，在催化產(chǎn)氧和光催化方面具有應(yīng)用潛力。

石墨炔結(jié)構(gòu)的表征，對于指導(dǎo)石墨炔合成，探索石墨炔結(jié)構(gòu)與其物理化學(xué)性能之間的構(gòu)效關(guān)系等方面都具有非常重要的意義。魯統(tǒng)部等9總結(jié)了表征石墨雙炔形貌、厚度、晶體結(jié)構(gòu)以及碳的成鍵形式的方法。

王丹等10基于石墨炔的電子轉(zhuǎn)移增強特性，概述了石墨炔及其電子轉(zhuǎn)移增強特性的新研究進(jìn)展，包括金屬氧化物/石墨炔、金屬納米顆粒/石墨炔、聚合物/石墨炔以及染料分子/石墨炔等多種石墨炔基材料。文章從理論和實驗研究兩個方面詳細(xì)闡述了石墨炔的電子轉(zhuǎn)移增強特性、石墨炔與不同材料的相互作用以及相關(guān)的應(yīng)用。而王吉政等11通過石墨炔修飾，大幅提高了ZnO紫外探測器的性能，并發(fā)現(xiàn)石墨炔修飾的ZnO探測器性能的提高歸因于石墨炔良好的空穴傳輸特性。

石墨炔寬的層間距、大的比表面積、獨特的三維孔隙結(jié)構(gòu)和好的導(dǎo)電性使其在能源存儲器件電極材料應(yīng)用中具有巨大的潛力。黃長水等12詳細(xì)介紹了近年來石墨炔在儲能方面的理論分析和實驗進(jìn)展。石墨炔作為電極材料在儲鈉儲鋰方面的容量與理論值相近。此外石墨炔作為電極材料成功應(yīng)用于超級電容器和金屬-硫電池，并表現(xiàn)出了優(yōu)異的容量存儲性能。石墨炔納米形貌的調(diào)控、石墨炔的熱處理，以及異原子的摻雜等均可以有效地提高石墨炔在這些儲能器件中的性能。而劉輝彪等13發(fā)展了基于超分子化學(xué)的新方法對石墨炔進(jìn)行原位氮摻雜，通過利用石墨炔與有機共軛分子間強的π–π作用，原位制備了石墨炔/卟吩復(fù)合材料薄膜，為可控制備摻氮石墨炔復(fù)合材料提供了新的思路。

石墨炔自成功合成以來引起了研究者極大的興趣和關(guān)注。目前為止，石墨炔的基礎(chǔ)和應(yīng)用研究方興未艾，顯示了巨大廣闊的空間。石墨炔的可控制備方法、系統(tǒng)表征方法、可控結(jié)構(gòu)等仍然需要不斷去探索。另外，石墨炔在電子、能源、催化、信息技術(shù)等方面的研究在未來五年將展示無限的創(chuàng)新空間。