石墨烯、富勒烯、碳纳米管……这些碳质料的发现，都曾在科研圈掀起研究高潮。2010年，石墨烯的发现者被授予诺贝尔物理学奖。就在同一年，中国科学院院士、中科院化学研究所研究员李玉良和团队发现了一个碳质料眷属的新成员：石墨炔。
和此前碳质料的发现一样，石墨炔的发现同样掀起了科学界的研究高潮。但是，和此前碳质料研究都由国外科学家开创差异，石墨炔的发现与研究是国外科学家跟进中国科学家开展研究的实例。
在天下科技工作者日即将到来之际，为全面出现石墨炔研究的“宿世此生”，报告我国科技工作者在石墨炔研究范畴岑寂耕耘、一连引领该范畴发展的故事，科技日报记者专访了李玉良院士。
举世首创并定名石墨炔
科技日报记者：请您先容一下毕竟什么是石墨炔？这种二维碳质料有哪些优点？
李玉良：石墨炔是一个新的碳同素异形体，是由碳碳炔键（sp碳）将苯环（sp2碳）共轭毗连形成二维平面网络结构的全碳质料。
由于具有丰富的碳化学键、大的共轭体系、自然的孔洞结构和本征带隙等特性，石墨炔在生长、组装和性能调控等方面体现出巨大上风和先辈性，将是推动催化、能源、光电转换及新模式转换和转化等范畴创新性发展的关键质料。
2010年，我们研究团队在天下上初次通过化学合成的方法大规模制备出了石墨炔薄膜，并用“石墨炔”对其举行定名。自此，石墨炔这种自然界不存在的物质第一次真实地呈现在人类眼前，为碳质料眷属增加了新成员。石墨炔的乐成制备竣事了合成化学不能制备全碳质料的汗青，开创了人工合成新型碳同素异形体的先例，开辟了碳质料研究新范畴。
一层石墨炔的晶体结构。图源：《自然·合成》
科技日报记者：您和团队是从什么时间开始研究石墨炔的？当初为什么要关注石墨炔研究？
李玉良：我们从上世纪90年代中期开始探索平面碳的合成化学研究，合成到十几个碳原子时，由于外貌张力太大，合成过程很难控制。在这种情况下，我们的研究时断时续。随后，我们继续探索了高温固相合成、两相和多相的界面生长等方法，发现这些方法的产物太复杂，很难分离，很难包管我们的研究有大的进步。
直到2004年，石墨烯的发现猛烈地触动了我们。我们对峙初志，颠末6年的费力探索，在2010年使用我们创造的方法乐成合成了具有二维结构的新碳同素异形体，并初次用中文定名为“石墨炔”。我们的专利覆盖了全部含有三键的碳同素异形体。我们不绝丰富石墨炔的研究内在，推动了石墨炔在诸多范畴的底子和应用研究。
究竟上，在石墨炔发现前，全部碳质料的电子结构都是sp3或sp2碳杂化，没有sp和sp2碳共杂化形成的碳质料，像富勒烯、碳纳米管以及石墨烯都是由sp2杂化形成，它们的共同特点是外貌电荷分布匀称。
然而，石墨炔是sp和sp2杂化形成的，其外貌电荷分布极不匀称，外貌活性很高，极易产生奇特的、不可推测的物理和化学性子。
因此，石墨炔不停是科学家们等候探索的范畴，也是碳质料范畴一个告急的挑衅。这是我们为什么研究石墨炔的初志。很高兴，现在的研究表明，石墨炔在催化、储能、光电、光热转化，信息智能、新模式的转化与转换以及生命科学等范畴展示了厘革性的性子和性能。
一连引领石墨炔范畴的研究
科技日报记者：关于石墨炔的研究，国际上的竞争态势是怎样的？我国的石墨炔研究在国际上处于什么职位？
李玉良：2010年石墨炔初次乐成合成以来，我们研究团队和国内告急研究团队共同攻关，办理了石墨炔可控制备、生长及聚集态结构的形成等底子科学题目，创建了石墨炔体系理论盘算方法、结构表征技能等，并在催化、能源、光电、生命科学、智能信息和新模式物质转化与转换等范畴取得了很多国际关注的原创性研究结果，在国际上一连引领该范畴的研究。
受我们开创的石墨炔研究的影响，科学家也发现了石墨炔很多优秀的性子和应用，同时也发展了石墨炔的制备方法，探索了以sp和sp2两种杂化碳形态存在的石墨炔的衍生结构，并开辟了石墨炔研究新方向，使石墨炔成为最有潜力的新质料之一。
现在，天下上已经有60多个国家和地区的500多个研究团队对石墨炔开展研究。在中科院科技战略咨询研究院、中科院文献谍报中心与科睿唯安等团结向举世发布的《2020研究前沿》陈诉中，石墨炔研究已被列为化学与质料科学范畴Top10热门前沿之一。
科技日报记者：在这么多年的石墨炔研究中，您和团队碰到过哪些困难？
李玉良：在石墨炔研究中，我们团队碰到了很多告急挑衅和困难。比如，已发现的碳质料都是由sp2碳杂化构成的，我们要走出sp2碳这个传统的研究氛围，就必须要创造性地发展新方法，这是难度很大的。
同时，从合成化学角度来看，还没有通过合成化学在常温常压下合玉成碳质料的先例，可想而知，这更增长了我们研究的难度；在合成的不可控性、合成过程的计划和反应的动力学、热力学过程的控制等方面，我们没有任何可以鉴戒的履历，这些都是面对的严厉挑衅。
别的，从上世纪九十年代中期到2005年前后，我国的仪器装备都比力陈旧，要表征出碳原子分列的分辨图像，险些没有大概，这也让我们在结构表征上碰到了很大的困难。
科技日报记者：您和团队关于石墨炔的研究有什么最新渴望？石墨炔现在已经显现了哪些埋伏的应用远景？
李玉良：现在，我们的石墨炔研究已在催化、能源、光电、生命科学、信息智能和新模式物质转化与转换等范畴得到了系列突破性渴望，这些研究结果在国际上处于引领职位。
比如，我们创造了零价的基于石墨炔金属原子催化剂，创建了原子催化的新理念，这是电催化范畴的一个很大的突破，实现了催化原子的最大化使用。
同时，针对怎样常温常压下实现高效合成氨这一困难，我们从理念创新开始，突破传统催化剂面对的困难，乐成制备了常温常压下具有厘革性催化性能的合成氨催化剂。现在，国际上固氮制氨产率最高的三个催化剂都来自于石墨炔体系。
别的，基于石墨炔诸多的特别性子，在储能范畴，我们提出了“炔-烯互变”的新概念，特别是在锂电快充方面，改变传统锂电快充的机制，创建新的锂电快充的模式。
由于独特的电子结构和化学结构，石墨炔在新氢能源转换、光互助用制化学品、高效人工固氮、生命科学、智能信息等范畴都具有厘革性的应用潜力。
栏目主编：秦红 笔墨编辑：宋慧 题图泉源：IC photo 图片编辑：邵竞
泉源：作者：科技日报 |
