碳元素擁有一個大家庭，有眾多同素異構(gòu)體。雖然都由碳原子構(gòu)成，但通過不同排列方式，能夠形成多種晶體結(jié)構(gòu)。碳原子通過不同軌道雜化方式，形成石墨、金剛石等具有不同性質(zhì)和應用的碳基晶體；sp2雜化的碳原子通過維度、曲率等變化，可形成富勒烯、納米碳管和石墨烯等碳基納米結(jié)構(gòu)，體現(xiàn)出獨特性質(zhì)，有關(guān)碳元素構(gòu)成的不同晶體我們之前也介紹過很多。

       1月12日，《自然》雜志上刊登了一種新型人工碳晶體的文章，我國科學家在該領(lǐng)域又有新成果。中國科學技術(shù)大學朱彥武教授團隊發(fā)表題為“Long-Range Ordered Porous Carbons Produced from C60”的研究論文，報道了通過對富勒烯C60分子晶體進行電荷注入，在常壓條件下構(gòu)建了C60聚合物晶體以及長程有序多孔碳晶體，并實現(xiàn)了其克量級制備。

中國科大朱彥武教授(一排中)研究團隊部分成員合影

       朱彥武團隊長期致力于發(fā)展新型碳材料的規(guī)模化制備技術(shù)。早在2011年，朱教授就找到了一種用化學“活化”的方式“激活”石墨烯，成功地將石墨烯片層重構(gòu)成為兼具高比表面積、高電導率和負曲率結(jié)構(gòu)的“活化石墨烯”，作為超級電容器電極材料表現(xiàn)出優(yōu)異性能，該研究成果曾發(fā)表在《科學》上。

       在此次研究中，朱彥武團隊創(chuàng)造性地使用氮化鋰對富勒烯C60分子晶體進行電荷注入，并在溫和溫度下進行熱處理，最終得到大量的C60聚合物晶體以及長程有序多孔碳晶體。

       在該研究中，研究人員實現(xiàn)了上述材料的克量級制備，系統(tǒng)表征了其微觀結(jié)構(gòu)、譜學特征、結(jié)構(gòu)衍化和電學性質(zhì)；發(fā)展了電荷注入方法輔助實現(xiàn)C60分子間界面的原子級精度調(diào)控，為新型碳基晶體結(jié)構(gòu)構(gòu)建、性質(zhì)研究及應用探索提供了新的視野，也就是大家所說的“拼樂高”式的制備技術(shù)。

圖1.形貌和結(jié)構(gòu)表征

       團隊研究發(fā)現(xiàn)，將氮化鋰（a-Li3N）和石墨接觸時，其部分電子會轉(zhuǎn)移至石墨的π電子云，導致石墨層間距異常增大、層間滑移能壘降低，從而使得3R相（ABC堆疊）石墨可在比此前報道低得多的溫度下轉(zhuǎn)變?yōu)?H相（AB堆疊）（Nano Lett. 2021, 21, 5648）。

圖2.微觀結(jié)構(gòu)表征

       朱教授介紹，“這里的長程有序多孔碳晶體，微觀上具有多孔特征但完整保留了晶體的宏觀周期性，是一類新的人工碳晶體，未來可能在能量存儲、離子篩分、負載催化等領(lǐng)域具有潛在應用。電荷注入技術(shù)為構(gòu)建這類碳基晶體材料提供了一種拼‘樂高’式的制備技術(shù)，有望成為在原子級精度上調(diào)控晶體結(jié)構(gòu)的新手段。” “如果我們可以在一個晶體結(jié)構(gòu)中引入納米單元，例如用富勒烯、石墨烯等作為基本結(jié)構(gòu)單元代替普通晶體中的原子，像搭積木一樣‘搭建’出新型碳材料，可能會發(fā)掘更多新奇性質(zhì)，發(fā)揮更大應用潛力。”

       朱教授表示，“接下來，我們將系統(tǒng)地研究長程有序多孔碳基晶體的性質(zhì)，期望通過精細調(diào)節(jié)實驗參數(shù)進一步調(diào)控晶體的原子級結(jié)構(gòu)特征，探索更多的性質(zhì)和應用。”

       中國科學技術(shù)大學潘飛特任副研究員（實驗）、倪堃特任副研究員（理論）、東南大學徐濤副教授（球差電鏡表征）為該論文的共同第一作者。韓國基礎(chǔ)科學研究所Rodney. S. Ruoff教授、中國科學技術(shù)大學朱彥武教授為該論文的共同通訊作者。該工作獲得了科技部重大研究計劃、國家自然科學基金等項目經(jīng)費的支持。

       論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-022-05532-0