石墨炔性能将胜过石墨烯

石墨炔性能将胜过石墨烯
现在，很多科学家为神奇材料石墨烯“竞折腰”，纷纷投身于对石墨烯的研究中，
企业也大力投资者个新型材料。

随着科学家们对石墨炔的研究不断深入，结果发现，石墨炔具有极强的导电能力以及多种几何形态，其性能或许会让石墨烯相形见绌。

捷
胜石墨
在上世纪的90年代，中科院化学所有机固体实验室在中科院开展了碳材料富勒烯研究。

据介绍，碳具有sp3、sp2和sp三种杂化态，通过不同杂化态可以形成多种碳的
同素异形体。

例如，通过sp3杂化可以形成金刚石，通过sp3与sp2杂化则可以形成
碳纳米管、富勒烯和石墨烯等。

由于具有sp杂化态的碳碳三键具有线性结构、无顺反异构体和高共轭等优点，科学家一直渴望能够获得具有sp杂化态的碳的新同素异形体，并认为该类碳材料具备优异的电学、光学和光电性能，并将成为下一代新的电子和光
电器件的关键材料。

2004年，研究人员用透明胶带粘下一层层石墨层，最终获得了一个碳原子厚度的石墨烯。

随后，他们发现，单层石墨烯硬度高，却有很好的韧性，是当时已知导电性能
最好的材料。

常温下高达15000 cm2·V-1·S-1的电子迁移率，使得石墨烯成为制造高
速晶体管的希望所在。

捷胜石墨
2010年，单层石墨烯已经从实验室逐步走向产业化道路，英国科学家的这项基础工作也获得了诺贝尔物理学奖。

就在这一年，中科院化学所有机固体实验室的化学家们，创造了化学合成的方法，制造出另一种新的碳材料——石墨炔。

研究人员利用六炔基
苯在铜片表面的催化作用下发生偶联反应，成功地在铜片表面上，合成出石墨炔薄膜。

这是世界上首次通过化学方法获得的全碳材料，开辟了人工化学合成碳同素异形体的
先例，让化学家们深受鼓舞。

近两年，中科院化学所石墨炔研究团队持续开展了石墨炔的基础和应用研究，实现
了大面积、规模化制备。

同时引领了国际上众多科学家积极参与到该领域研究，推动
了碳材料科学的发展，并为碳材料的研究带来难得的机遇。

研究人员发现其在催化、
燃料电池、锂离子电池、电容器、太阳能电池以及力学性能等方面具有优良性质和性能。

而且器件效率不受电压扫描条件影响。

另外，该项研究还发现石墨炔与P3HT作
为修饰材料构筑的钙钛矿太阳能电池，其光电转换效率提高了20%。

在业内人士看来，上述系列研究为提高钙钛矿电池的性能和新型碳材料的应用开发以及钙钛矿电池器件
的研究提供了新的思路。

2015年，研究人员围绕石墨炔的电容器性能开展研究时，发现其具有优异的电容器性能，电容也远高于其他碳材料。

因此，石墨炔电容器能够同时具备高功率密度和高
能量密度。

石墨炔负载金属钯可高效催化还原4-硝基苯酚，还原速率（0.322 min-1）分别是Pd-碳纳米管、Pd-氧化石墨烯和商用Pd碳的40倍、11倍和5倍；氮掺杂石墨炔具有非常优异的氧还原催化活性，已经与商业化铂/碳材料相当，有望实现对贵金属铂系催化剂的替代。

而由于石墨炔三键具有极高的化学活性，TiO2（001）-石墨炔复
合物等石墨炔基材料显示了独特光催化、电化学催化及催化性能。

此外，石墨炔作为
量子点太阳能电池的缓冲层，可大大提高PbS量子点太阳能电池的效率并可显著降低
功函，高效促进量子点太阳能电池空穴输运的能力，显著提高量子点太阳能电池光电
转换效率和稳定性。

目前，中科院化学所有机固体实验室科研人员仍然在试图用像石墨烯一样通过控制
生长及物理剥离方法，获得石墨炔单层结构，而对于石墨炔的单体合成专家认为，其
大批量制备及工业化尚待时日。

作为具有中国自主知识产权的新材料，石墨炔的发现在国际上产生了重要影响，被
同行评价认为“这是碳化学的一个令人瞩目的进展，是真正的重大发现”还有专家认
为石墨炔可能在海水淡化方面具有不可替代的作用，可滤除海水中的氯化钠达99.7%。

著名科学家则通过计算机模拟、多方面的理论计算及实验等发现石墨炔在光学、电学、光电子器件、催化、太阳能电池等领域有潜在应用。

目前已经有美国、日本、澳大利亚、德国等国际和国内的课题组开展了研究，使石
墨炔研究进入了快速发展时期。

不仅在学术界，商业界也对石墨炔的应用充满了浓厚
的兴趣。

研究表明，石墨炔在能源、催化、光学、电学、光电子器件等诸多领域具有
巨大的潜在应用。