新型碳基二维原子晶体材料的控制制备、结构表征及应用探索

In the past three decades, nano-carbon material is the most important discovery in the field of materials science. From fullerene, carbon-nanotube to grapheme, different kinds of carbon allotropes have attracted considerable interest. Owing to their unusual structures, they exhibite excellent physical and chemical properties and promising applications in broad fields. Recently, experts are committed to explore more in field of nano-carbon material and find new carbon allotrope. In 2010, Li’s group first synthesized graphdiyne with higher carrier mobility than silicon materias, which makes graphdiyne has great competition for graphene. However, there is still no method for synthesis of single-layer or few-layer graphyne. In this project, we are aiming at finding a new kind of carbon-based two-dimensional material with both tunable band-gap and high carrier mobility. Theoretical calculation results show that some members of graphyne family (such as graphdiyne) can meet our requirements. So we will focus on a controllable preparation method for graphyne with defined layers and regular domain size; then we’ll establish characterization methods for structure and propertie of graphyne; finally, we want to expand the application fields of graphyne combined with its rich structures and unique electronic properties.

纳米碳材料是过去三十年来材料科学领域中最重要的科学发现，从零维的碳60到一维的碳纳米管和二维的石墨烯，他们均因特殊的结构表现出非常优异的物理化学性质，在很多领域均有广泛的应用前景。其实，纳米碳材料家族仍蕴藏着极大的拓展空间，2010年，中科院化学所李玉良团队在国际上首次合成出石墨炔材料。这种石墨炔材料在具有能带带隙的同时，还保留着远高于硅材料的载流子迁移率，有望是超越石墨烯的新一代碳基二维原子晶体材料。但到目前为止仍无法获得单层或少层的石墨炔材料。本项目的目标就是：寻找带隙可控且载流子迁移率高的新型碳基二维原子晶体材料；重点发展石墨炔材料的可控制备方法，获得单层或少层的石墨炔材料，实现石墨炔材料畴区大小与层数的调控；建立石墨炔材料的结构表征方法；系统研究石墨炔材料的结构与性能间的关系；结合石墨炔材料丰富的结构和独特的电子学性质，开拓石墨炔材料的应用领域。

我们立足于石墨炔新型结构的合成方法、结构的精细调控及其光电热性质的探索，在新型石墨炔结构的合成等方面取得了重要突破。按照研究计划开展了大量的研究探索工作，圆满完成了既定任务。具体而言，在石墨炔的控制制备方面，实现了γ-石墨双炔纳米墙的合成及其在任意基底上的生长，实现了超薄石墨炔的化学气相沉积法制备，实现了铜基底上β-石墨双炔薄膜的制备，建立了以石墨烯为模板的少层石墨炔控制制备方法；提出了少层石墨双炔薄膜的微波诱导温度梯度制备法，进一步拓展至射频加热诱导法，获得了高质量的石墨双炔薄膜；在石墨炔的本征性质研究方面，获得了γ-石墨双炔的高分辨透射电镜原子成像以及拉曼光谱，测量了氮化硼基底上γ-石墨双炔的电导率；在石墨炔的应用探索方面，实现了基于γ-石墨双炔的光电化学复合材料电极、高效产氢光阴极、油水分离以及基于石墨双炔的滤膜及其在污水中重金属离子去除方面的应用，实现了γ-石墨双炔基光热材料及其在太阳光致水蒸发方面的应用，并利用β-石墨双炔实现了二氧化钛降解有机染料的光催化性能。此外，还开展了超洁净石墨烯及超级石墨烯玻璃的可控、宏量制备及应用探索。新型二维碳纳米材料的特定形貌控制合成高质量制备，对研究碳材料的基本物性及应用有着重要的意义。. 项目启动以来，共发表SCI检索学术论文99篇，其中影响影子大于7.0的论文85篇，占论文总数的85.9%，包括Nature Photonics 1篇、Nature Materials 1篇、 Nature Communications 3篇、J. Am. Chem. Soc. 6篇、Nano Lett. 7篇、Adv. Mater. 26篇、ACS Nano 7篇、Nano Res. 12篇等。授权专利17项，申请专利82项。项目承担人员和研究生各类学术会议157人次，其中大会或分会特邀报告81人次；培养博士生20名、博士后11名。