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中国科大团队构建出新型三维碳晶体,研究成果发表于《自然》

2023/1/12 10:05:17 来源:IT之家 作者:潇公子 责编:潇公子

IT之家 1 月 12 日消息,据中国科大发布,中国科学技术大学朱彦武教授研究团队通过对富勒烯 C60 分子晶体进行电荷注入,在常压条件下构建了 C60 聚合物晶体以及长程有序多孔碳晶体,并实现了其克量级制备。1 月 12 日,研究成果发表于国际学术期刊《自然》。

据朱彦武介绍,“这里的长程有序多孔碳晶体,微观上具有多孔特征但完整保留晶体的宏观周期性,是一类新的人工碳晶体,未来可能在能量存储、离子筛分、负载催化等领域具有潜在应用。电荷注入技术为构建这类碳基晶体材料提供了一种拼‘乐高’式的制备技术,有望成为在原子级精度上调控晶体结构的新手段。”《自然》称,“论文中给出的结果令人信服,对晶体学和材料科学领域具有重要意义。”

碳是自然界最常见的元素之一,碳原子之间通过不同排列方式,能够形成多种结构,比如我们熟悉的石墨、金刚石和无定型碳,已经广泛应用于各个领域。

朱彦武团队长期致力于发展新型碳材料的规模化制备技术。早在 2011 年,朱彦武就找到一种化学“活化”的方式“激活”石墨烯,成功地将石墨烯片层重构成为兼具高比表面积、高电导率和负曲率结构的“活化石墨烯”,作为超级电容器电极材料表现出优异性能,该研究成果曾发表在《科学》上。

IT之家了解到,在此次研究中,朱彦武团队创造性地使用氮化锂对富勒烯 C60 分子晶体进行电荷注入,并在温和温度下进行热处理,最终得到大量的 C60 聚合物晶体以及长程有序多孔碳晶体

一个 C60 分子中有 60 个碳原子,想要以其为结构单元得到新的碳结构,就要让相邻分子之间形成稳定连接,即一个 C60 分子中的部分碳原子与相邻分子中距离较近的那部分碳原子形成共价键

论文共同第一作者、中国科大特任副研究员倪堃说,“我们对 C60 聚合物晶体和长程有序多孔碳晶体的形成机理进行了理论模拟。结果表明,电荷注入引起了富勒烯 C60 分子间的电偶极矩相互作用,降低了反应过程中相邻 C60 分子之间的加成反应势垒,使得反应更容易发生;进一步反应使得分子间连接部分转变为弯曲的连接结构,但在该反应过程中部分破碎的富勒烯 C60 分子仍保持良好的周期性排列。”

值得注意的是,团队通过基于机器学习和神经网络势函数的结构搜索结果进一步表明,长程有序多孔碳基晶体代表了一大类从富勒烯分子晶体到石墨类碳晶体转变过程中的亚稳态晶体结构。

论文链接

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

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关键词:碳晶体材料

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