碳素大爆炸 【石墨烯地位不保？】碳素大爆炸 No.002 【王者的對決：石墨炔Vs石墨烯】

探索大爆炸,探擊物質背後的奧義 我是苗教授,一直專注於化學的梁教授 有石墨烯的存在,那麼石墨丸、石墨鵲也存在嗎? 答案是肯定的 2009年,英國曼徹斯特大學物理與天文學院 安德烈·格伊姆教授和諾沃塞洛夫博士 在石墨烯基礎上開發出了一種具有突破性的新材料——石墨丸 沒錯,就是他們兩個 在2004年用一塊膠布製造的石墨烯 石墨烯的獨特電子特性 使得研究人員得以開發出新的材料 製造出尺寸更小、速度更快的晶體管 然而,由於電子能埠中能烯的缺失 科學家們爲此被迫使用基於石墨烯的複雜結構 而曼徹斯特大學的研究人員 通過將純淨的石墨烯暴露在原子化的氫中 製成了高品質的石墨丸晶體 這種方法揭示了可基於石墨烯製造出 許多其他超薄晶體材料 這麼說,你應該是不會了解 石墨丸的出現對於石墨烯的意義所在 2008年,研究人員已經根據石墨烯的獨特電子特性 開發出與傳統硅材料相比體積更小、速度更快的石墨烯晶體管 然而,爲了彌補電子光埠中能量的缺陷 科學家們不得不使用相當複雜的 以石墨烯爲基礎結構的如量子點和量子原子團來達到目的 而這項新研究發現 石墨烯可以被修改成爲新材料以微調其電子性能 這爲其帶來了更豐富的可能性 也爲未來電子設備的發展提供了一種真正多功能的材料 打個比方,如果你有許多零碎的小東西要收納 但是你家裏的空間 或者說你家裏現在的格局不夠收納下這些東西 這時大多數人都說是時候要換大房子了 可是你看了下你自己的錢包 發現連新的洗手間都買不起 這時候就有人跟你說換一換家裏的傢俱 多弄點櫃子 你那些東西就能夠收納下了 從石墨烯到石墨烯 就是換傢俱減裝的過程 2010年 三層石墨烯已經從實驗室逐步走向產業化的道路 英國科學家的這項基礎工作也獲得了諾貝爾物理學獎 就在這一年 中科院化學所有機固體實驗室的化學家們 創造了一種化學合成的方法 製造出另一種新的碳材料 石墨烯 研究人員用六缺基本 在銅片表面的催化作用下發生偶連反應 成功地在銅片表面合成出了石墨烯薄膜 這是世界上首次通過化學方法獲得全碳材料 開闢了人工化學合成碳同位素一型體的先例 也讓化學家們備受鼓舞 這也將會是中國在碳素研究領域的一次大爆炸 不管是石墨烯 石墨丸還是石墨缺 之所以他們的研究都是希望能夠運用一種單一材料 通過改變其某種特性 實現從絕緣體到半導體再到導體的轉變 石墨丸通過改變氫原子的數量 的確可以完成這一系列轉變 但是它的整體穩定性低 操作成本高 石墨丸層間距不好控制 也就是製得的石墨丸厚度不一 這就導致它製成的半導體的導電率不均一 半導體的使用壽命偏低 石墨丸更多被用於製備某些單層材料的過渡材料 而石墨缺則彌補了石墨丸的不足 石墨缺薄膜厚度可控 其層間距爲0.36個納米 石墨缺的薄膜厚度可控制在15至500納米之間 同時石墨缺薄膜表現出了良好的半導體性能 並發現隨着石墨缺厚度的減小 其導電率逐漸增加 研究人員測定了石墨缺薄膜空穴遷移率 證明了理論計算提出的高遷移率 其遷移率隨着石墨烯薄膜厚度的增加而下降 厚度爲22納米的石墨缺薄膜的遷移率 可達100至500平方釐米每伏秒 這與硅的遷移率480平方釐米每伏秒相比有大幅度提高 2014年研究人員發現 石墨缺薄膜是一類性能優良的鋰離子電池負極材料 由於石墨缺具有SP和SP2的二維三角空隙 大表面積 電解質離子快速擴散等特性 基於石墨缺的鋰離子電池也具有優良的倍率性能 大功率 大電流 長效的循環穩定性等特點 相關指標明顯高於石墨 安納米管和石墨烯等碳材料 並具有優良的穩定性 如在兩安每克的電流密度下經歷1000次循環之後 其比容量依然高達420毫安每克 這是絕大多數鋰離子負極材料所不具備的優勢 這就意味着我們的電池可以做的更小 容量也可以更大 石墨缺的未來遠不止如此 2015年研究人員對其電容性能進行研究時發現 它有很優異的電容器性能 石墨缺電容器能夠同時具備高功率密度和高能量密度 研究人員還發現石墨缺附帶金屬板 可以高效催化 還原 四消基本分 還原速率分別是把碳納米管 把氧化石墨烯和商用把碳的40倍 11倍和5倍 但參雜石墨缺具有非常優異的氧還原催化性能 性能已經與商用化鉢碳材料相當 有希望實現對貴金屬鉢烯催化劑的取代 而由於石墨缺三件具有極高的化學活性 二氧化碳石墨缺負荷材料等 石墨缺基材料顯示了獨特的光催化 電化學催化及催化性能 那麼石墨缺會是下一個石墨烯嗎 德國著名物理學家古林教授的研究指出 石墨缺是迪拉克錐物質 他認爲這是有氮氣的石墨缺在許多性能方面超過零氮氣石墨烯的重要因素 迪拉克錐的存在賦予了石墨烯許多新奇的物理現象和電子性能 例如半整數 分數 分形 量子化效應 超高 遷移率等 這些優異的特性也將在石墨缺上體現 麻省理工學院的研究認爲 石墨缺可能在海水氮化方面具有不可替代的作用 可濾除海水中的氯化鈉達99.7% 國際著名科學家則通過計算機模擬多方面理論計算及實驗 發現石墨缺在光學 電學 光電子器件 催化 太陽能電池等領域具有潛在應用 目前已經有美國 加拿大 日本 澳大利亞 德國等國際和國內的課題組開展了研究 使石墨缺研究進入快速發展的時期 不僅在學術界 商業界也對石墨缺的應用充滿了濃厚的興趣 研究表明石墨缺在能源 催化 光學 電學 光電子器件等諸多領域具有潛在應用 英國納米基礎雜誌曾將石墨缺 石墨錫 硅錫 共同列入未來最具商業價值的材料 並將石墨缺單列一章 專門做了市場分析 認爲其將在諸多領域得到廣泛應用 據該雜誌報道 歐盟已將石墨缺相關研究列入下一個框架計劃 美英等國也將其納入政府計劃 石墨缺必將是碳素大爆炸中璀璨的一環 我是苗教授 一隻專注於化學的涼腳獸 我們下期見