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石墨烯、富勒烯、碳納米管……這些碳材料的發現，都曾在科研圈掀起研究熱潮。2010年，石墨烯的發現者被授予諾貝爾物理學獎。就在同一年，中國科學院院士、中科院化學研究所研究員李玉良和團隊發現了一個碳材料家族的新成員：石墨炔。

和此(ci)前(qian)碳(tan)材料的(de)(de)發現(xian)一樣(yang)(yang)，石墨炔(gui)的(de)(de)發現(xian)同樣(yang)(yang)掀起了科(ke)學界(jie)的(de)(de)研究熱(re)潮(chao)。但(dan)是，和此(ci)前(qian)碳(tan)材料研究都(dou)由國外科(ke)學家開創不同，石墨炔(gui)的(de)(de)發現(xian)與研究是國外科(ke)學家跟進中國科(ke)學家開展研究的(de)(de)實例(li)。

在(zai)全國科技工(gong)作者日到來之(zhi)際，為了(le)全面呈(cheng)現(xian)石墨(mo)炔研(yan)究(jiu)的“前世今(jin)生”，講述我國科技工(gong)作者在(zai)石墨(mo)炔研(yan)究(jiu)領(ling)域(yu)默默耕耘(yun)、持(chi)續引領(ling)該(gai)領(ling)域(yu)發展的故事，科技日報(bao)記(ji)者專訪了(le)李玉良院士(shi)。

全球首創并命名石墨炔

科技日報記者(zhe)：請您介紹一(yi)下，究(jiu)竟什么是石墨炔(gui)？這種二(er)維碳(tan)材料(liao)有(you)哪(na)些優點？

李玉良(liang)：石墨炔是一(yi)個新的(de)碳(tan)同素異形體，是由碳(tan)碳(tan)炔鍵(jian)（sp碳(tan)）將苯(ben)環(huan)（sp2碳(tan)）共軛連接形成二維平面網絡結構的(de)全碳(tan)材料。

由于(yu)具有豐富的碳化學鍵、大(da)的共軛(e)體系、天(tian)然的孔(kong)洞(dong)結(jie)構和本征(zheng)帶隙(xi)等特征(zheng)，石墨炔(gui)在生長、組(zu)裝和性能調控等方(fang)面表現出(chu)巨大(da)優勢和先(xian)進性，將是(shi)推(tui)動催(cui)化、能源、光電轉(zhuan)換及新(xin)模式轉(zhuan)換和轉(zhuan)化等領域創新(xin)性發展的關鍵材料。

2010年，我們研(yan)(yan)究(jiu)團隊(dui)在(zai)世界上(shang)首次通過化學(xue)合(he)成(cheng)(cheng)的方法(fa)大規(gui)模制(zhi)備(bei)出了(le)石墨(mo)(mo)炔薄膜，并(bing)用“石墨(mo)(mo)炔”對其進行命名。自此，石墨(mo)(mo)炔這種(zhong)自然(ran)界不(bu)存在(zai)的物質第一次真實地(di)呈現在(zai)人類面前，為(wei)碳材(cai)料(liao)家(jia)族增添了(le)新成(cheng)(cheng)員。石墨(mo)(mo)炔的成(cheng)(cheng)功制(zhi)備(bei)結束了(le)合(he)成(cheng)(cheng)化學(xue)不(bu)能制(zhi)備(bei)全碳材(cai)料(liao)的歷史，開創了(le)人工合(he)成(cheng)(cheng)新型碳同素異形(xing)體的先例，開辟了(le)碳材(cai)料(liao)研(yan)(yan)究(jiu)新領域。

科技日報(bao)記(ji)者：您和(he)團隊(dui)是從什么(me)時候開始研究石(shi)墨(mo)炔的？當初為什么(me)要關注石(shi)墨(mo)炔研究？

李(li)玉良：我(wo)(wo)(wo)們(men)從20世紀90年代中期開始探(tan)索(suo)平面碳的(de)(de)合(he)(he)成化學研(yan)究，合(he)(he)成到十幾個(ge)碳原子時(shi)，由(you)于(yu)表面張(zhang)力太(tai)大，合(he)(he)成過程很難(nan)控制。在(zai)這種情況下(xia)，我(wo)(wo)(wo)們(men)的(de)(de)研(yan)究時(shi)斷時(shi)續。隨(sui)后，我(wo)(wo)(wo)們(men)繼續探(tan)索(suo)了高溫固(gu)相合(he)(he)成、兩相和多相的(de)(de)界面生長等(deng)方(fang)法，發(fa)現這些方(fang)法的(de)(de)產(chan)物太(tai)復雜，很難(nan)分離，很難(nan)保證我(wo)(wo)(wo)們(men)的(de)(de)研(yan)究有(you)大的(de)(de)進步(bu)。

直(zhi)到2004年(nian)，石墨(mo)(mo)烯的(de)(de)發現(xian)強烈(lie)地觸動(dong)了(le)(le)我(wo)(wo)們(men)。我(wo)(wo)們(men)堅持初衷，經過6年(nian)的(de)(de)艱(jian)苦探索，在2010年(nian)利(li)用(yong)我(wo)(wo)們(men)創造的(de)(de)方法成功(gong)合成了(le)(le)具有二維(wei)結(jie)構的(de)(de)新碳(tan)(tan)同(tong)素異形(xing)體，并首次(ci)用(yong)中文命名為“石墨(mo)(mo)炔”。我(wo)(wo)們(men)的(de)(de)專利(li)覆蓋了(le)(le)所有含有三鍵(jian)的(de)(de)碳(tan)(tan)同(tong)素異形(xing)體。我(wo)(wo)們(men)不斷豐富石墨(mo)(mo)炔的(de)(de)研究內涵，推動(dong)了(le)(le)石墨(mo)(mo)炔在諸多領域(yu)的(de)(de)基礎(chu)和應用(yong)研究。

事實上，在石墨(mo)炔發現前，所有碳材料的電子結構(gou)都是(shi)sp3或sp2碳雜(za)化，沒有sp和sp2碳共雜(za)化形(xing)(xing)成的碳材料，像富勒烯(xi)、碳納(na)米管以及(ji)石墨(mo)烯(xi)都是(shi)由(you)sp2雜(za)化形(xing)(xing)成，它們的共同特點(dian)是(shi)表面電荷(he)分布均勻。

然而，石墨炔是sp和(he)(he)sp2雜化形成的(de)(de)，其表(biao)面電荷分布極不(bu)均勻，表(biao)面活性很高，極易(yi)產(chan)生奇特的(de)(de)、不(bu)可預測的(de)(de)物(wu)理和(he)(he)化學性質。

因此，石墨炔一(yi)直是科學家們期待探索(suo)的(de)領域，也(ye)是碳材料領域一(yi)個重(zhong)要的(de)挑戰。這是我們為什(shen)么研究(jiu)石墨炔的(de)初衷。很高興，目(mu)前的(de)研究(jiu)表明，石墨炔在(zai)催化、儲能、光(guang)電(dian)、光(guang)熱轉化、信息智能、新模(mo)式的(de)轉化與(yu)轉換以及生命科學等領域展示了變革(ge)性的(de)性質和性能。

持續引領石墨炔領域的研究

科技日(ri)報記者：關于石墨(mo)炔(gui)的(de)研究，國際上的(de)競(jing)爭(zheng)態(tai)勢是怎樣(yang)的(de)？我國的(de)石墨(mo)炔(gui)研究在國際上處于什么地(di)位？

李(li)玉良：2010年石墨炔首次(ci)成功合成以來，我們研究(jiu)團(tuan)隊(dui)和國(guo)(guo)內主(zhu)要研究(jiu)團(tuan)隊(dui)共同攻關，解決了石墨炔可(ke)控制備、生長及聚集(ji)態結(jie)構的(de)形成等基礎科(ke)學問題，建立了石墨炔體系(xi)理論計算方法、結(jie)構表征技術(shu)等，并(bing)在催(cui)化、能(neng)源、光電、生命科(ke)學、智(zhi)能(neng)信息和新(xin)模式物(wu)質轉化與(yu)轉換等領域(yu)(yu)取得了許多國(guo)(guo)際(ji)關注的(de)原創(chuang)性研究(jiu)成果(guo)，在國(guo)(guo)際(ji)上持(chi)續(xu)引(yin)領該領域(yu)(yu)的(de)研究(jiu)。

受我(wo)們開創(chuang)的(de)(de)石(shi)墨(mo)炔研究的(de)(de)影響，科學家也發(fa)現了(le)石(shi)墨(mo)炔很多(duo)優異(yi)的(de)(de)性質(zhi)和(he)(he)應用，同時也發(fa)展了(le)石(shi)墨(mo)炔的(de)(de)制備方法，探索了(le)以sp和(he)(he)sp2兩種雜化碳形態存在的(de)(de)石(shi)墨(mo)炔的(de)(de)衍(yan)生結構，并開拓了(le)石(shi)墨(mo)炔研究新(xin)方向，使(shi)石(shi)墨(mo)炔成為最有潛力(li)的(de)(de)新(xin)材料之一。

如今(jin)，世界上已經有60多(duo)個(ge)國家和(he)地區(qu)的(de)500多(duo)個(ge)研究團(tuan)隊(dui)對石墨炔開展研究。在中科(ke)院科(ke)技戰略咨詢研究院、中科(ke)院文(wen)獻情報中心與科(ke)睿(rui)唯安等聯合向全球(qiu)發布(bu)的(de)《2020研究前沿》報告中，石墨炔研究已被列為(wei)化學與材(cai)料科(ke)學領域(yu)十(shi)大熱點(dian)前沿之一。

科技日報記者：在這么多年的(de)石(shi)墨炔研究(jiu)中，您和團隊遇到過哪些困(kun)難？

李(li)玉良：在石墨炔研(yan)究中，我(wo)們團(tuan)隊遇到了很(hen)多重要(yao)(yao)挑戰(zhan)和困難。比如，已發現(xian)的(de)碳(tan)材料(liao)都是由(you)sp2碳(tan)雜(za)化組成的(de)，我(wo)們要(yao)(yao)走(zou)出(chu)sp2碳(tan)這(zhe)個傳統的(de)研(yan)究氛圍(wei)，就必須要(yao)(yao)創造性地發展新方法，這(zhe)是難度很(hen)大(da)的(de)。

同時(shi)，從合(he)成(cheng)(cheng)化(hua)學(xue)角度來看(kan)，還沒(mei)有(you)(you)通(tong)過合(he)成(cheng)(cheng)化(hua)學(xue)在常溫常壓下合(he)成(cheng)(cheng)全碳材料的(de)(de)(de)(de)先例，可(ke)想而知(zhi)，這更增加(jia)了我們研(yan)究的(de)(de)(de)(de)難度；在合(he)成(cheng)(cheng)的(de)(de)(de)(de)不(bu)可(ke)控(kong)性以(yi)及合(he)成(cheng)(cheng)過程的(de)(de)(de)(de)設計和反(fan)應的(de)(de)(de)(de)動力學(xue)、熱力學(xue)過程的(de)(de)(de)(de)控(kong)制等方(fang)面，我們沒(mei)有(you)(you)任何可(ke)以(yi)借鑒(jian)的(de)(de)(de)(de)經驗(yan)，這些都是面臨(lin)的(de)(de)(de)(de)嚴(yan)峻(jun)挑戰。

此(ci)外，從20世紀90年(nian)代中期到(dao)2005年(nian)前后，我國的儀(yi)器(qi)設備都(dou)比較陳舊，要(yao)表(biao)征(zheng)(zheng)出碳原(yuan)子排(pai)列的分(fen)辨(bian)圖像，幾乎沒有可(ke)能，這也(ye)讓(rang)我們在結構表(biao)征(zheng)(zheng)上(shang)遇到(dao)了很大的困難。

科(ke)技日報記者：您和團隊關(guan)于石(shi)(shi)墨炔(gui)的(de)研(yan)究有什么最新進展？石(shi)(shi)墨炔(gui)目(mu)前已經(jing)展現(xian)了哪些(xie)潛(qian)在的(de)應用前景？

李玉(yu)良：目前，我(wo)們的石墨炔研究已在催化、能源、光電、生命科學、信息智能和(he)新模式物質轉(zhuan)化與轉(zhuan)換等領(ling)域獲得了系(xi)列突破性進(jin)展，這些研究成果在國際上處于引領(ling)地位(wei)。

比如，我們創造了零(ling)價的(de)基(ji)于石墨炔金屬原子(zi)催(cui)(cui)(cui)化(hua)(hua)劑，建立了原子(zi)催(cui)(cui)(cui)化(hua)(hua)的(de)新理念，這是(shi)電(dian)催(cui)(cui)(cui)化(hua)(hua)領域的(de)一(yi)個(ge)很(hen)大的(de)突破，實現了催(cui)(cui)(cui)化(hua)(hua)原子(zi)的(de)最(zui)大化(hua)(hua)利用。

同時(shi)，針對(dui)如何常溫(wen)常壓下實(shi)現高效合成氨(an)這(zhe)一(yi)難題，我們從理念創新開始，打破(po)傳統催化(hua)劑面臨的難題，成功制備了常溫(wen)常壓下具有變(bian)革性(xing)(xing)催化(hua)性(xing)(xing)能的合成氨(an)催化(hua)劑。目前，國際(ji)上固氮制氨(an)產率最高的3個(ge)催化(hua)劑都來自于石墨炔體系。

此外(wai)，基于(yu)石(shi)墨炔(gui)諸(zhu)多的特(te)殊性質，在儲能(neng)領域，我們提出了(le)“炔(gui)—烯互變”的新概(gai)念(nian)，特(te)別是(shi)在鋰電(dian)快充(chong)方(fang)面，改變傳(chuan)統鋰電(dian)快充(chong)的機制，建立(li)了(le)新的鋰電(dian)快充(chong)模式。

由于(yu)獨特(te)的電子結(jie)構和化學(xue)結(jie)構，石墨(mo)炔在新氫能源轉換、光合作(zuo)用制化學(xue)品、高(gao)效人工固氮、生命(ming)科學(xue)、智能信息等領域都具有變革性的應用潛力(li)。