材料前沿丨石墨炔：從發現到應用

圖1  近三十年來碳材料發展歷程

2010年，李玉良團隊提出了在銅箔表面上通過化學方法原位合成石墨炔并首次成功地獲得了大面積（3.61cm2）的石墨炔薄膜，且第一次被李玉良等研究人員用漢語命名為“石墨炔”。從結構上，石墨炔可以被看作是石墨烯中三分之一的C―C中插入兩個C≡C（二炔或乙炔）鍵，這使得這種石墨炔中不僅具備苯環，而且還有由苯環、C≡C鍵構成的具有18個碳原子的大三角形環。額外的炔鍵單元使這種石墨炔的孔徑增加到大約0.25nm。

對于石墨炔來說，sp和sp2雜化的炔鍵和苯環，構成了二維單原子層平面構型的石墨炔（圖2）；在無限的平面擴展延伸中，與石墨烯相似，為保持構型的穩定，石墨炔的單層二維平面構型會形成一定的褶皺；二維平面石墨炔分子通過范德華力和π―π相互作用堆疊，形成層狀結構；18個碳原子的大三角形環在層狀結構中構成三維孔道結構。平面的sp2和sp雜化碳結構賦予石墨炔很高的π共軛性、均勻分散的孔道構型以及可調控的電子結構性能。因此，總體來說，石墨炔既具備類似于石墨烯的二維單層平面材料的特點，同時又具有三維多孔材料的特性、剛性平面結構和納米級孔結構等獨特性質。

圖2 石墨炔結構

石墨炔的成功合成，使碳材料家族又誕生了一個新成員，開辟了人工化學合成新碳素異形體的先例。

研究結果發表之后，被國際同行評價為：“這是碳化學的一個令人矚目的進展，是真正的重大發現”；“是碳化學的一個重大進展，它將為大面積石墨炔薄膜在納米電子的應用開辟一條道路”。

被Materials Today、NPG Asia Materials、NanoTech和Nature China等權威雜志作專題評述，Material Today 以“Flat-packed carbon”為題指出：“合成、分離新的碳同素異形體是過去二三十年研究的焦點，中國科學家首次合成了新的碳同素異形體——石墨炔；化學家通過碳原子制備獨特的分子，然而，化學合成僅含碳的材料更具挑戰性，中國科學家用一種直接的方法合成了3.6cm²的石墨炔薄膜。中國科學家研究表明石墨炔優良的性能可與硅媲美，有可能成為未來電子器件的關鍵材料……”。

Nature China報道：“中國科學院李玉良等首次合成二維結構石墨炔，石墨炔具有和已知碳同素異形體不同的結構和性質，石墨炔將可能成為電子器件領域最重要的材料。” 

著名雜志NanoTech 2012年發布年度報告回顧了發現的幾類重要材料，指出石墨炔的發現提升了對碳材料研究的強烈興趣。并指出歐盟已將石墨炔等研究列入下一個框架計劃，美、英等國也將其列入政府計劃，并將石墨炔列入未來最具潛力和商業價值的材料。2015年該雜志以2015~2025二維材料機遇分析為專題，將石墨炔列為該專題的第七章進行評述。指出在電子、能源、航空航天、電信、醫療以及催化領域的重要潛在應用價值。

世界兩大著名的商業信息公司Research and Markets公司和日商環球訊息有限公司評述了2019年前全球納米技術和材料，將石墨炔列入最具潛力的納米材料之一。該研究成果還被科技部作為2010年重大基礎研究進展列入2010年中國科學技術發展報告中。2015年被評為中國科學院發布的“十二五”25項重大科技成果之一。

石墨炔，具有天然的帶隙，屬于本征半導體,其存在特別的電荷輸運性能。石墨炔在費米能級上下附近具有兩個不同的狄拉克錐,這表示石墨炔為自摻雜(self-doped)半導體，原本就具有電荷載流子，不需要像石墨烯一樣要通過額外摻雜實現。石墨炔還表現出高的導電性、大的澤貝克系數和低的熱導率等特點。為此，石墨炔吸引了來自化學、物理、材料、電子、微電子和半導體領域的科學家對其誘人的半導體、光學、儲能、催化和機械性能進行了深入探索。石墨炔特殊的電子結構和孔洞結構使其在信息技術、電子、能源、催化以及光電等領域具有潛在、重要的應用前景，近幾年石墨炔的基礎和應用研究已取得了重要成果，并迅速成為了碳材料研究中的新熱點領域。