大面積石墨炔薄膜
宏量製備高純度石墨炔
二維碳石墨炔的結構模型
石墨炔是一種新的碳同素異形體，其豐富的碳化學鍵，大的共軛體系、寬面間距、優良的化學穩定性和半導體性能一直吸引著科學家的關注。隨著富勒烯、碳管及石墨烯等碳材料陸續通過物理方法成功製備，如何製備石墨炔一直是科學研究的焦點。
近年來，中國科學院化學研究所有機固體重點實驗室研究員李玉良帶領團隊從表面化學反應結合固態生長合成化學的新視角出發，首次在銅表面上合成了具有本徵帶隙sp雜化的二維碳的新同素異形體石墨炔，開闢了人工化學合成碳同素異形體的先例。
首次化學合成
上世紀90年代，中科院化學所有機固體實驗室在中科院院士朱道本帶領下開展了碳材料富勒烯研究。
據介紹，碳具有sp3、sp2和sp三種雜化態，通過不同雜化態可以形成多種碳的同素異形體。例如，通過sp3雜化可以形成金剛石，通過sp3與sp2雜化則可以形成碳納米管、富勒烯和石墨烯等。
由於具有sp雜化態的碳碳三鍵具有線性結構、無順反異構體和高共軛等優點，科學家一直渴望能夠獲得具有sp雜化態的碳的新同素異形體，並認為該類碳材料具備優異的電學、光學和光電性能，並將成為下一代新的電子和光電器件的關鍵材料。
2004年，英國曼切斯特大學的研究人員用透明膠帶粘下一層層石墨層，最終獲得了一個碳原子厚度的石墨烯。隨後，他們發現，單層石墨烯硬度高，卻有很好的韌性，是當時已知導電性能最好的材料。常溫下高達15000 cm2·V-1·S-1的電子遷移率，使得石墨烯成為製造高速電晶體的希望所在。
2010年，單層石墨烯已經從實驗室逐步走向產業化道路，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，創造了化學合成的方法，製造出另一種新的碳材料——石墨炔。研究人員利用六炔基苯在銅片表面的催化作用下發生偶聯反應，成功地在銅片表面上，合成出石墨炔薄膜。
這是世界上首次通過化學方法獲得的全碳材料，開闢了人工化學合成碳同素異形體的先例，讓化學家們深受鼓舞。
不斷深入的研究
近兩年，中科院化學所石墨炔研究團隊持續開展了石墨炔的基礎和應用研究，實現了大面積、規模化製備；同時引領了國際上眾多科學家積極參與到該領域研究，推動了碳材料科學的發展，並為碳材料研究帶來難得的機遇。
研究人員與多名國內外科學家合作，發現其在催化、燃料電池、鋰離子電池、電容器、太陽能電池以及力學性能等方面具有優良性質和性能。
例如，研究人員實現了石墨炔薄膜的厚度可控，首次證實了石墨炔薄膜的層間距為0.365 納米，所獲得的少數層石墨炔薄膜厚度可以控制在15~500納米之間。同時，石墨炔薄膜表現出良好的半導體性質，並發現隨著石墨炔厚度的減小，其電導率逐漸增加。研究人員首次測定了石墨炔薄膜空穴遷移率,證明了理論計算提出的高遷移率，其遷移率隨著石墨炔薄膜厚度的增加逐漸下降，厚度為22納米的石墨炔薄膜的遷移率可達到100~500 cm2·V-1·S-1。
2014年，研究人員發現，石墨炔薄膜是一類性能優良的鋰離子電池負極材料。由於石墨炔具有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，基於石墨炔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、碳納米管和石墨烯等碳材料，並具有優良的穩定性。如在2A·g-1的電流密度下，經歷1000次循環之後，其比容量依然高達420 mAh·g-1，這是絕大多數鋰離子負極材料所不具備的優勢。
2015年，研究人員將石墨炔摻雜進雜化鈣鈦礦器件的電子傳輸層，有效地提高了電子傳輸層的電導，進而提升了鈣鈦礦電池的器件性能。
研究人員介紹，石墨炔的引入不僅改善了界面材料的薄膜形態，更好地調控界面特性，提升了器件的短路電流值，從而增加了器件的光電轉換效率，而且器件效率不受電壓掃描條件影響。另外，該項研究還發現石墨炔與P3HT作為修飾材料構築的鈣鈦礦太陽能電池，其光電轉換效率提高了20%。在業內人士看來，上述系列研究為提高鈣鈦礦電池的性能和新型碳材料的應用開發以及鈣鈦礦電池器件的研究提供了新的思路。
2015年，研究人員圍繞石墨炔的電容器性能開展研究時，發現其具有優異的電容器性能，電容也遠高於其他碳材料。因此，石墨炔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，石墨炔負載金屬鈀可高效催化還原4-硝基苯酚，還原速率（0.322 min-1）分別是Pd-碳納米管、Pd-氧化石墨烯和商用Pd碳的40倍、11倍和5倍；氮摻雜石墨炔具有非常優異的氧還原催化活性，已經與商業化鉑/碳材料相當，有望實現對貴金屬鉑系催化劑的替代。而由於石墨炔三鍵具有極高的化學活性，TiO2（001）-石墨炔複合物等石墨炔基材料顯示了獨特光催化、電化學催化及催化性能。
此外，石墨炔作為量子點太陽能電池的緩衝層，可大大提高PbS量子點太陽能電池的效率並可顯著降低功函，高效促進量子點太陽能電池空穴輸運的能力，顯著提高量子點太陽能電池光電轉換效率和穩定性。
目前，中科院化學所有機固體實驗室科研人員仍然在試圖用像石墨烯一樣通過控制生長及物理剝離方法，獲得石墨炔單層結構。「雖然存在困難，但已經有了長足進展，有可能在短時間內解決這個問題。」李玉良介紹說。而對於石墨炔的單體合成，李玉良認為，其大批量製備及工業化尚待時日。
充滿希望的未來
作為具有中國自主智慧財產權的新材料，石墨炔的發現在國際上產生了重要影響，被同行評價認為「這是碳化學的一個令人矚目的進展，是真正的重大發現」。
德國著名物理學家Gorling教授的研究指出石墨炔是狄拉克錐物質，他認為這是有帶隙的石墨炔在許多性能方面超過零帶隙石墨烯的重要因素。
《今日材料》期刊以「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，中國科學家首次化學合成了3.6平方釐米的石墨炔薄膜，其優良性能可與矽媲美，有可能與石墨烯一起成為未來電子器件的關鍵材料……」
麻省理工學院教授Markus Zahn認為石墨炔可能在海水淡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、多方面的理論計算及實驗等發現石墨炔在光學、電學、光電子器件、催化、太陽能電池等領域有潛在應用。
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，使石墨炔研究進入了快速發展時期。
不僅在學術界，商業界也對石墨炔的應用充滿了濃厚的興趣。研究表明，石墨炔在能源、催化、光學、電學、光電子器件等諸多領域具有巨大的潛在應用。
英國《納米技術》雜誌曾將石墨炔與石墨烯、矽烯共同列入未來最具潛力和商業價值的材料，並將石墨炔單列一章專門作了市場分析，認為其將在諸多領域得到廣泛的應用。據該雜誌報導，歐盟已將石墨炔相關研究列入下一個框架計劃，美、英等國也將其列入其政府計劃。
世界兩大著名的商業信息公司研究與市場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商業市場，認為石墨炔是最具潛力的納米材料之一。
如今，石墨炔如同碳化學領域冉冉升起的新星，在基礎和應用中受到廣泛期待。
（原載於《中國科學報》 2015-11-23 第8版 平臺)