碳元素擁有一個大家庭，有眾多同素異構體。雖然都由碳原子構成，但通過不同排列方式，能夠形成多種晶體結構。碳原子通過不同軌道雜化方式，形成石墨、金剛石等具有(you)(you)不(bu)同性質和(he)(he)應(ying)用的(de)碳(tan)基晶(jing)體(ti)；sp2雜化的(de)碳(tan)原子通過(guo)維度、曲率(lv)等變化，可形(xing)成(cheng)富(fu)勒烯、納(na)米碳(tan)管和(he)(he)石墨烯等碳(tan)基納(na)米結構，體(ti)現出獨(du)特性質，有(you)(you)關碳(tan)元素構成(cheng)的(de)不(bu)同晶(jing)體(ti)我們之(zhi)前也介紹過(guo)很多(duo)。

       1月12日，《自然》雜志上刊登了一種新型人工碳晶體的文章(zhang)，我國科學家在(zai)該領域又(you)有新成果。中國科學技術大學朱(zhu)彥武教(jiao)授團隊發表題為“Long-Range Ordered Porous Carbons Produced from C60”的研究(jiu)論文，報(bao)道(dao)了通過對(dui)富勒(le)烯C60分(fen)子晶體進(jin)行電荷(he)注入，在(zai)常壓條件下構建了C60聚合物晶體以(yi)及長程有序多孔碳晶體，并實(shi)現了其克量級制備。

中國(guo)科大朱彥武教(jiao)授(shou)(一(yi)排中)研(yan)究團隊部分(fen)成員合影

       朱彥(yan)武團隊長期致(zhi)力于發展新(xin)型碳(tan)材(cai)料的(de)規模化(hua)制(zhi)備技(ji)術。早(zao)在(zai)2011年，朱教授就找到了一(yi)種用化(hua)學“活化(hua)”的(de)方式“激活”石墨(mo)烯，成(cheng)功(gong)地將(jiang)石墨(mo)烯片層重(zhong)構成(cheng)為(wei)(wei)兼具高比(bi)表面積、高電導率和(he)負(fu)曲(qu)率結構的(de)“活化(hua)石墨(mo)烯”，作(zuo)為(wei)(wei)超級(ji)電容器電極材(cai)料表現出優異性能，該研究成(cheng)果曾發表在(zai)《科學》上(shang)。

       在此次(ci)研究中，朱彥(yan)武團隊創造性(xing)地使用氮化鋰對(dui)富勒(le)烯C60分子晶體(ti)進(jin)行(xing)電(dian)荷注入(ru)，并在溫和(he)溫度下進(jin)行(xing)熱處理，最終得到(dao)大量的C60聚合物晶體(ti)以(yi)及長程有序多孔碳晶體(ti)。

       在該研(yan)究(jiu)中(zhong)，研(yan)究(jiu)人(ren)員實現了上(shang)述材(cai)料(liao)的克量級制(zhi)備(bei)，系統表征了其(qi)微(wei)觀結(jie)構(gou)(gou)、譜學特征、結(jie)構(gou)(gou)衍(yan)化(hua)和電(dian)學性質；發展了電(dian)荷注(zhu)入(ru)方法輔助實現C60分子間界面的原(yuan)子級精(jing)度調控，為新型碳基晶體結(jie)構(gou)(gou)構(gou)(gou)建(jian)、性質研(yan)究(jiu)及應用探(tan)索(suo)提供了新的視野，也就是大家(jia)所說的“拼樂高”式的制(zhi)備(bei)技術(shu)。

圖1.形貌和結(jie)構表征(zheng)

       團隊研究(jiu)發現(xian)，將氮化(hua)鋰（a-Li3N）和石墨(mo)接觸時(shi)，其部分電子(zi)會轉移(yi)至石墨(mo)的π電子(zi)云，導(dao)致石墨(mo)層間距異常增大、層間滑移(yi)能壘降低，從而使得3R相(xiang)（ABC堆疊）石墨(mo)可在比此前報道(dao)低得多的溫(wen)度下轉變為2H相(xiang)（AB堆疊）（Nano Lett. 2021, 21, 5648）。

圖2.微觀結構表征

       朱教授介紹，“這(zhe)里的(de)(de)長(chang)程有序(xu)多孔碳(tan)晶(jing)(jing)體(ti)(ti)，微(wei)觀上具有多孔特征但完整保留了晶(jing)(jing)體(ti)(ti)的(de)(de)宏觀周期性(xing)，是(shi)一(yi)(yi)類新(xin)的(de)(de)人工(gong)碳(tan)晶(jing)(jing)體(ti)(ti)，未(wei)來可能(neng)在能(neng)量存儲、離子篩分、負載催化等領域具有潛在應用。電荷注入(ru)(ru)技(ji)(ji)術(shu)為(wei)構建這(zhe)類碳(tan)基晶(jing)(jing)體(ti)(ti)材料(liao)提供了一(yi)(yi)種拼‘樂高’式(shi)的(de)(de)制(zhi)備技(ji)(ji)術(shu)，有望成為(wei)在原子級精(jing)度上調控晶(jing)(jing)體(ti)(ti)結(jie)構的(de)(de)新(xin)手(shou)段(duan)。” “如果(guo)我們可以在一(yi)(yi)個晶(jing)(jing)體(ti)(ti)結(jie)構中(zhong)引(yin)入(ru)(ru)納米單(dan)(dan)元(yuan)，例(li)如用富勒烯、石墨烯等作為(wei)基本結(jie)構單(dan)(dan)元(yuan)代替普通晶(jing)(jing)體(ti)(ti)中(zhong)的(de)(de)原子，像(xiang)搭積木一(yi)(yi)樣‘搭建’出新(xin)型碳(tan)材料(liao)，可能(neng)會發掘(jue)更多新(xin)奇性(xing)質，發揮更大應用潛力。”

       朱(zhu)教(jiao)授表示(shi)，“接下(xia)來，我(wo)們將系統地(di)研究長程有序多(duo)孔碳基晶體的(de)性(xing)質(zhi)，期望通(tong)過精細調節實驗參(can)數(shu)進一(yi)步調控(kong)晶體的(de)原子級結構特征，探索更多(duo)的(de)性(xing)質(zhi)和應(ying)用。”

       中(zhong)國科(ke)(ke)學(xue)技術大(da)學(xue)潘(pan)飛特任副(fu)(fu)研(yan)(yan)究員（實(shi)驗）、倪堃特任副(fu)(fu)研(yan)(yan)究員（理論）、東南(nan)大(da)學(xue)徐濤副(fu)(fu)教(jiao)授(shou)（球差電鏡表征(zheng)）為該論文(wen)的(de)(de)(de)共同第一作者(zhe)。韓國基礎科(ke)(ke)學(xue)研(yan)(yan)究所Rodney. S. Ruoff教(jiao)授(shou)、中(zhong)國科(ke)(ke)學(xue)技術大(da)學(xue)朱彥武(wu)教(jiao)授(shou)為該論文(wen)的(de)(de)(de)共同通訊作者(zhe)。該工作獲得了科(ke)(ke)技部重(zhong)大(da)研(yan)(yan)究計劃、國家自然(ran)科(ke)(ke)學(xue)基金等(deng)項(xiang)目經(jing)費的(de)(de)(de)支持。

       論文(wen)鏈接：//www.nature.com/articles/s41586-022-05532-0