@ 2022.06.14 , 18:59

存在一种新型碳固体 用煤制造石墨

随着世界对石墨等碳基材料的需求增加,俄亥俄大学的研究人员本周提出了存在一种新碳固体的证据,他们将其命名为“无定形石墨”。

物理学家 David Drabold 和工程师 Jason Trembly 的研究从下面这一问题开始:“我们可以用煤制造石墨吗?”

他们在前天发表在《物理评论快报》上的论文《无定形石墨的Ab initio模拟》中写道:“石墨是一种重要的碳材料,用途广泛。石墨的一个新兴应用是锂离子电池中的电池阳极,锂电池对电动汽车行业至关重要——一辆特斯拉 Model S 平均需要 54 公斤石墨。这样的电极最好用纯碳材料制成,由于技术需求的螺旋式增长,这种材料变得越来越难以获得。”

“Ab initio”的意思是“从头开始”,他们的工作寻求从天然存在的碳质材料合成石墨形式的新途径。通过几种不同的计算,他们发现了一种在非常高的温度(约 3000 开尔文)下形成的层状材料。由于层间形成了电子气,它的层保持在一起,但它们并不构成理想石墨烯的完美六边形层。这种新材料有很多六边形,还有五边形和七边形。与石墨烯相比,这种环状无序结构降低了新材料的导电性,但在主要由六边形主导的区域,导电性仍然很高。

“在化学中,通过高温热处理将碳质材料转化为层状石墨结构的过程称为石墨化。我们从头开始的计算和机器学习分子动力学模拟显示了,从纯碳网络具有压倒性的转化倾向到具有显著密度和温度窗口的分层结构,即使对于随机起始配置也会发生分层。平坦层是无定形石墨烯:拓扑无序的三配位碳原子排列在具有五边形、六边形和七边形碳的平面中。”

“由于这个阶段在拓扑上是无序的,石墨通常的‘堆叠层’仅在统计上得到了尊重。”Drabold 说。“在没有对密度泛函(LDA 和 PBE)力进行范德华校正的情况下观察到分层,我们讨论了在通道(平面之间的空隙)中形成离域电子气,并表明平面内聚力部分是由于这种低-密度电子气。相对于石墨烯,面内电子电导率显着降低。”

研究人员希望他们的声明能够刺激实验和研究确定无定形石墨的存在。

“启发我们的问题是,是否可以用煤制造石墨。”Drabold 说。 “这篇论文没有完全回答这个问题,但它表明碳具有压倒性的分层倾向——就像石墨一样,但有许多‘缺陷’,如五边形和七边形(碳原子的五元和七元环),这非常自然地融入网络。我们提供了无定形石墨存在的证据,并描述了它的形成过程。石墨化发生在 3000 K 附近,但形成过程的细节和平面中无序的性质是未知的。”

“在我们的研究之前,无定形石墨烯层(包括五边形和七边形在内的平面)会以分层结构粘在一起的性质并不是很明显。我发现这令人惊讶,实验专家很可能会去寻找这个既然已经被预测到的存在。碳是神奇的元素——你可以制造生命、钻石、石墨、巴基球、纳米管、石墨烯,现在还有这个。这里面也有很多有趣的基础物理学——例如平面如何以及为什么结合,这令人惊讶。”

https://phys.org/news/2022-06-graphite-coal-carbon-solid.html


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