来源:DeepTech深科技
发展新的材料和新的结构,是材料科学领域的科研工作者的主要任务之一。近年来,探索更多新型碳晶体材料,并实现其基本性质和应用性能的理性设计,是该领域研究人员的重要研究方向。
近期,中国科学技术大学团队采用电荷注入的技术,将 α-氮化锂和碳 60 粉末混合并在中等温度条件下加热,成功制备出了克量级的长程有序多孔碳(long-range ordered porous carbon,LOPC)。
“这是一种之前没有被报道过的新型碳晶体材料。”中国科学技术大学朱彦武教授表示,“从初步性质测量结果上看,LOPC 作为由碳 60 分子组成的三维周期性晶体,同时受到碳 60 分子的低维特性和晶体的有序特征带来的影响,其电子性质在一个很宽的范围内可进行调控。”
材料的应用与其结构和性质息息相关。未来该团队计划对 LOPC 进一步进行高精度调节,使其在半导体、电子器件、光电探测,以及能源存储和能量转化等方面得到应用。
中国科学技术大学潘飞特任副研究员、倪堃特任副研究员和东南大学徐涛副教授为该论文的共同第一作者,韩国基础科学研究所罗德尼·S·罗夫(Rodney. S. Ruoff)教授和中国科学技术大学朱彦武教授为该论文的共同通讯作者。
据朱彦武介绍,该研究持续了超过十年的时间,主要工作在最近三四年里集中进行。“如果从对这个方向的思考算起,我们其实从 2011 年就开始了。”他说。
正是在那年,他和罗夫团队在 Science 上发表了一篇论文,报道了通过化学活化方法,将石墨烯重构成了一种具有三维网络结构特征的多孔碳材料 [2]。当时,罗夫教授在美国德克萨斯大学奥斯汀分校,朱彦武还是他的一名博士后。
“那时候我就设想,如果这个初始材料不是石墨烯,而是富勒烯或碳纳米管等其他的纳米单元,把它们连在一起,应该也可以得到更新的、甚至可能具有周期性的非常有序的三维碳材料。”朱彦武表示。
回国开展独立研究之后,朱彦武团队就开始朝着这个目标前进。一开始,他们仍然采用化学活化方法,却发现该方法过于“剧烈”,很容易破坏 60 个碳原子组成的结构,甚至将其剪切成很小的量子点。这让他们感到十分苦恼。
“我们又尝试了很多种方法,一直没有找到既能保持碳 60 的分子结构基本不变,又能将它们连到一起的方法。”他说,“这个难题的科学本质在于,我们需要一种更高精度的制备手段,实现对差异微小的热力学状态分辨和动力学状态的控制。”
于是,研究进入到暂时的停滞状态。直到三年前,研究组潘飞博士在开展另一项研究时,发现电荷注入技术有可能帮助他们实现目标。
经过实验,他们发现该技术相较于活化的“大火快煮”,更加接近“文火慢炖”,利用一种细致温柔的相互作用,将碳 60 分子连在一起。此后的研究中,经过对多种参数的摸索,他们得到了 LOPC 这种新的晶体结构。
那么,这项电荷注入技术还有其他什么优势呢?
很多年前科学家们就发现,将富勒烯堆积在一起,并给它施加一定的温度和压力,就可以促成分子间的连接,得到新型的碳材料。但通过这种方式得到的样品量非常少,结构也不均匀,还可能含有杂质,给系统探索该类新型碳材料的结构和应用带来了阻碍。
“而电荷注入技术是一种化学制备方法,能够实现碳晶体材料的大量制备,这有利于我们对它进行详细研究,并探索它能在哪些方面获得应用,进而促进该方向的发展。”朱彦武解释说。
由于 LOPC 是由纯的碳原子构成的,而碳的原子序数比较小,并且是三维结构,因此确认其原子级别精度的结构细节极具挑战性,该团队几乎考虑了所有能接触得到的结构表征技术。
为了解决结构表征难题,他们先在东南大学孙立涛教授课题组的帮助下,使用球差矫正的高分辨透射电子显微镜进行观察,后又通过当时尚处于试运行阶段的、位于广东东莞的中国散裂中子源装置观察了样品,并得到了非常有用的数据。
“这些数据和其他数据合在一起,构成了相对完整的证据链,帮助我们对晶体中的原子结构特征获得了更加清晰的认识。”朱彦武说。
从理论上看,通过富勒烯分子得到的晶体结构具有非常多的可能性。通过计算机模拟和计算,该团队搜索出了几十万种结构。
他表示:“因为碳 60 之间的连接方式有太多的可能性,所以需要通过对照理论计算出来的模型特征,找出和实验结果符合得最好的结构。”
但利用人工从数十万个计算的结构中筛选出目标结构显然非常困难,于是该团队的倪堃博士发展了一些特别的筛选算法,能按照一定的筛选原则,将这几十万种结构进行分类,并通过细化,最终给出了最为接近的原子结构细节特征。
“对于该项研究来说,我们不仅仅提出方法并制备出了材料,更重要的是掌握了从富勒烯开始得到三维晶体材料的结构演化特征,并了解到在这个演化路径上还有非常多其他有趣的新型结构存在。希望我们取得的进展,能够帮助碳材料领域的其他研究人员拓宽思路,获得更多新型碳材料,并发现更多有趣的性质和有价值的应用。”朱彦武最后说。
参考资料:
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
排版:罗以