在新型碳基晶體研究方面取得重要進展

最著名的碳形式包括石墨和鉆石，但也有其他更奇特的納米級碳異構(gòu)體。這些包括石墨烯和富勒烯，它們是具有零（扁平狀）或正（球狀）曲率的sp2雜化碳。碳材料研究領(lǐng)域近年來的諸多進展表明，從富勒烯這一具有明確結(jié)構(gòu)的納米單元出發(fā)，有望得到具有新奇性質(zhì)和應(yīng)用潛力的新型碳基晶體材料。然而，在已經(jīng)報道的制備研究中，產(chǎn)物的產(chǎn)率通常較低且多為混合相，難以獲得具有明確結(jié)構(gòu)和可調(diào)性質(zhì)、可用于深入表征及廣泛應(yīng)用探索的碳基晶體。

基于此，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)朱彥武教授團隊聯(lián)合韓國基礎(chǔ)科學(xué)研究所Rodney. S. Ruoff教授利用氮化鋰對富勒烯C60分子晶體進行電荷注入，在常壓條件下和440-600 ℃范圍內(nèi)將面心立方堆積的C60分子晶體轉(zhuǎn)變?yōu)榫酆衔锞w及長程有序多孔碳（LOPC）晶體，實現(xiàn)了其克量級制備。研究人員系統(tǒng)表征了其微觀結(jié)構(gòu)、譜學(xué)特征、結(jié)構(gòu)衍化和電學(xué)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，為碳基晶體材料研究提供了一種“拼樂高”式的制備技術(shù)。相關(guān)成果以“Long-range ordered porous carbons produced from C60”為題發(fā)表在最新一期《Nature》上，第一作者為潘飛特任副研究員、倪堃特任副研究員和徐濤副教授。

表征

氮化鋰在550℃的環(huán)境壓力下催化了C60分子之間的共價鍵，從而產(chǎn)生長程有序多孔碳晶體。LOPC保持了原始C60晶體的顆粒狀形態(tài)。圖1b顯示了(1)C60的X射線衍射圖，和(2)LOPC的X射線衍射圖，其中C60(s)的峰更寬，但仍有長程周期性。作者發(fā)現(xiàn)LOPC是C60和石墨之間的 "長程有序轉(zhuǎn)移相"。當(dāng)退火溫度降低到480℃時得到了一個正方體結(jié)構(gòu)C60聚合物晶體。圖1b顯示，該聚合物晶體由沿<110>方向連接的C60籠子組成，兩個sp3鍵在面對的六邊形之間形成；微米大小的晶體證明了當(dāng)前制備策略的優(yōu)勢。當(dāng)退火溫度高于550℃時，LOPCs的X射線衍射圖（圖1c）顯示出越來越小的峰值和逐漸上升的背景，對于在600℃下制備的碳來說，最終成為一個以2θ=22.4°為中心的駝峰。LOPC的核磁共振峰的擴大表明碳原子的環(huán)境更加復(fù)雜。聚合物晶體的核磁共振譜中的76.0ppm的峰值是因為C60分子之間的sp3鍵。sp3鍵與所有C原子鍵的比率估計約為0.053，合理地接近基于計算的核磁共振譜的模擬值。從Ar的吸附/解吸等溫線和孔徑分布可以看到LOPC是多孔的。

圖1：形態(tài)和結(jié)構(gòu)特征

通過透射電子顯微鏡（TEM）鑒定，圖2a，b顯示了原始C60的fcc結(jié)構(gòu)。圖2c中的標記間距被歸結(jié)為 C60的（111）和（220）平面。圖2d顯示，LOPC具有長程秩序，在圖2e的放大圖像中觀察到晶格流紋。圖2e的FFT接近于原始C60的FFT。LOPC中單個籠子被區(qū)分出來，其結(jié)構(gòu)參數(shù)與建議的模型一致（圖2f）。圖2g,h中的圖像證實了正方體結(jié)構(gòu)，它是由線性C60聚合物鏈組成的，測量的間距為0.80納米，對應(yīng)于（011）或（101）平面間的間距。由于籠子之間形成了共價鍵，在圖2i的TEM圖像中可以區(qū)分出單個的C60分子。利用中子衍射對分布函數(shù)，通過與C60分子晶體和C60聚合物晶體的比較，研究了LOPC的原子結(jié)構(gòu)。（圖2j），對于長度小于3埃的鍵，沒有觀察到明顯的變化，表明三價碳鍵在新碳中仍然占主導(dǎo)地位。在長距離范圍內(nèi)（>9埃），LOPC由于巨大的無序性而有消失的峰，但由于C60籠子的旋轉(zhuǎn)受到抑制，C60聚合物晶體有更多的峰被識別出來，

圖2：微觀結(jié)構(gòu)表征

模擬和機制

為了了解LOPC晶體的形成，在環(huán)境壓力下對 C60附近區(qū)域的勢能表面（PES）進行了廣泛的搜索。使用碳的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對結(jié)構(gòu)進行了采樣。圖3a顯示了PES的二維表示，從中我們可以識別出對應(yīng)于不同碳結(jié)構(gòu)的四個區(qū)域：即殘余碳和卡比尼、富勒烯型、花生形管型和石墨烯型。能量圖表明，從富勒烯型到石墨烯型結(jié)構(gòu)的幾何演化是通過花生狀的管型偏轉(zhuǎn)；聚合物晶體和LOPC晶體是這種路線中許多可能的可轉(zhuǎn)移結(jié)構(gòu)之一。與沒有α氮化鋰的條件相比，在含有α氮化鋰的C60粉末上進行的原位MAS-SSNMR（圖3b）顯示，由于對稱性的破壞，在388.7℃觀察到的13C化學(xué)位移峰有一個下移，并在約145ppm處有一個分裂峰。密度泛函理論（DFT）模擬顯示，由于電荷轉(zhuǎn)移，Li的吸附也在C60上引入了一個偶極子，這在附近的C60分子上依次引起了另一個偶極子。圖3c顯示，兩個孤立的C60籠子之間形成鍵的能量屏障被引入的鋰原子所降低。

圖3：模擬和原位MAS-SSNMR

性能測試

圖4a中顯示的狀態(tài)密度（DOS）表明，根據(jù)圖1a中提出的結(jié)構(gòu)，LOPC的帶隙非常狹窄或具有導(dǎo)電性。圖4b顯示，在LOPC晶體中的π*峰比在C60和聚合物晶體中的更弱更寬，表明LOPC中復(fù)雜能量轉(zhuǎn)換。圖4b中的插圖顯示了激發(fā)原子的軌道分布，表明LOPC的頸部區(qū)域有很大的貢獻。電子結(jié)構(gòu)研究表明，LOPC中電子的脫域性更強。這與電學(xué)測量結(jié)果很吻合，根據(jù)圖4c中的曲線計算，LOPC顯示出最高的電導(dǎo)率。如圖4d所示，所有的LOPC特點是在10-20K時電阻率突然增加4-5個數(shù)量級，然后在較低的溫度下下降。如圖4d的插圖表明從類似半導(dǎo)體的特性過渡到類似金屬的特性。

圖 4：DOS、NEXAFS 和電導(dǎo)率測量

小結(jié)

該研究利用化學(xué)電荷注入技術(shù)，基于結(jié)構(gòu)明確的C60分子晶體，實現(xiàn)了包含巨大數(shù)量碳原子體系的熱力學(xué)狀態(tài)和動力學(xué)過程的精確調(diào)控，在常壓條件下獲得了克量級的長程有序多孔碳晶體，系統(tǒng)地表征了其微觀結(jié)構(gòu)和相關(guān)性質(zhì)，為新型碳基晶體結(jié)構(gòu)構(gòu)建、性質(zhì)研究及應(yīng)用探索提供了新的視野。

審核編輯 ：李倩