據(jù)中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)網(wǎng)站消息，1月12日，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院材料科學(xué)與工程系、合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國(guó)家研究中心朱彥武教授團(tuán)隊(duì)在《自然》雜志上發(fā)表題為“Long-Range Ordered Porous Carbons Produced from C60”的研究論文，報(bào)道了在常壓條件下通過(guò)化學(xué)電荷注入技術(shù)，將富勒烯C60分子晶體轉(zhuǎn)變?yōu)榫酆衔锞w和長(zhǎng)程有序多孔碳（LOPC）晶體的相關(guān)進(jìn)展。

LOPC晶體是由C60分子之間通過(guò)共價(jià)鍵連接而成的新型人工碳晶體，既具有多孔特性又保留了C60分子晶體的長(zhǎng)程有序特征。在該研究中，研究人員實(shí)現(xiàn)了上述材料的克量級(jí)制備，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(shí)現(xiàn)C60分子間界面的原子級(jí)精度調(diào)控，為碳基晶體材料研究提供了一種“拼樂(lè)高”式的制備技術(shù)。

圖1.形貌和結(jié)構(gòu)表征。

碳原子通過(guò)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(yīng)用的碳基晶體；sp2雜化的碳原子通過(guò)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(dú)特性質(zhì)。

碳材料研究領(lǐng)域近年來(lái)的諸多進(jìn)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(bào)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。

朱彥武教授團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期致力于發(fā)展碳材料規(guī)?；苽浼夹g(shù)，特別集中于從石墨烯、富勒烯等納米碳基單元出發(fā)、通過(guò)調(diào)控單元界面得到新型碳材料的研究。

該團(tuán)隊(duì)曾利用氫氧化鉀對(duì)微波剝離的還原氧化石墨烯進(jìn)行活化處理，將石墨烯片層重構(gòu)為兼具高比表面積和高電導(dǎo)率、具有負(fù)曲率結(jié)構(gòu)特征的“活化石墨烯”，作為超級(jí)電容器電極材料體現(xiàn)出優(yōu)異性能（Science 2011, 332, 1537），并實(shí)現(xiàn)了對(duì)活化產(chǎn)物結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步精細(xì)調(diào)控（Adv. Mater. 2016, 28, 5222；Adv.Mater. 2017, 29, 1603414）。

團(tuán)隊(duì)近期研究發(fā)現(xiàn)，將氮化鋰（a-Li3N）和石墨接觸時(shí)，其部分電子會(huì)轉(zhuǎn)移至石墨的π電子云，導(dǎo)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(bào)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。

在上述研究基礎(chǔ)上，團(tuán)隊(duì)利用氮化鋰對(duì)富勒烯C60分子晶體進(jìn)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LOPC晶體，實(shí)現(xiàn)了其克量級(jí)制備。

在來(lái)自東南大學(xué)、中國(guó)散裂中子源、國(guó)家同步輻射實(shí)驗(yàn)室、南方科技大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所、韓國(guó)基礎(chǔ)科學(xué)研究所等研究團(tuán)隊(duì)的合作幫助下，系統(tǒng)地表征了其微觀結(jié)構(gòu)、譜學(xué)特征、電子結(jié)構(gòu)和電學(xué)性質(zhì)。

研究表明，電荷注入C60分子導(dǎo)致的電偶極矩可在鄰近的分子間傳遞，降低了在反應(yīng)過(guò)程中C60籠間的加成反應(yīng)勢(shì)壘；更進(jìn)一步的反應(yīng)（更高處理溫度、更多電荷注入量、更長(zhǎng)反應(yīng)時(shí)間）使得籠間連接部分轉(zhuǎn)變?yōu)閺澢膕p2結(jié)構(gòu)，但分子主體位置仍保持良好的長(zhǎng)程有序特性。

從分子晶體到聚合物晶體和LOPC晶體的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變過(guò)程中，其室溫電導(dǎo)率逐漸升高；電子從局域在單個(gè)分子上逐漸發(fā)展為遠(yuǎn)程離域特性。值得注意的是，該團(tuán)隊(duì)通過(guò)基于機(jī)器學(xué)習(xí)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)搜索進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，長(zhǎng)程有序多孔碳晶體代表了一大類從富勒烯分子晶體到石墨類碳晶體轉(zhuǎn)變過(guò)程中的亞穩(wěn)態(tài)晶體結(jié)構(gòu)，其具體結(jié)構(gòu)種類可能是一個(gè)非常龐大的數(shù)目（Adv. Funct.Mater. 2022, 32, 2203894）。

圖3.理論模擬和原位MAS-SSNMR測(cè)試。

圖4.電子態(tài)密度、X射線吸收精細(xì)結(jié)構(gòu)譜和電學(xué)性質(zhì)測(cè)試。

綜上，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(shí)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(dòng)力學(xué)過(guò)程的精確調(diào)控，在常壓條件下獲得了克量級(jí)的長(zhǎng)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。

中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘飛特任副研究員（實(shí)驗(yàn)）、倪堃特任副研究員（理論）、東南大學(xué)徐濤副教授（球差電鏡表征）為該論文的共同第一作者。韓國(guó)基礎(chǔ)科學(xué)研究所Rodney. S. Ruoff教授、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)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(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目經(jīng)費(fèi)的支持。

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

（化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院、合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)研究中心、科研部）