【新材料●新能源●低碳环保】 2018 第二十二期 沸石孔隙内的汞黝矿碳结构：一种崭新形式的碳！【新材料●新能源●低碳环保】 2018 第二十二期 沸石孔隙内的汞黝矿碳结构：一种崭新形式的碳！ 2018-08-24 张江发展战略研究院 采编 | Paul 微信 ID | rdryaobd 微信| （ID： 新形式的碳！沸石孔隙内的汞黝矿碳结构 来源：材料科技在线|
图示为沸石孔内形成的汞黝矿三维笼状结构 20世纪80年代、90年代以及21世纪初巴基球（富勒烯）、碳纳米管、石墨烯的发现分别为化学家、物理学家、材料学家们带来了巨大的惊喜，然而一个被称为汞黝矿的负曲面的纳米碳结构，却让无数研究学者毫无头绪，直到最近才被发现证明。 加州大学伯克利分校的化学家已证明，日韩科学家近期创造的三种碳结构实际上是人们找寻已久的汞黝矿结构。研究人员预测汞黝矿将具有独特的电学和储存特性，就像之前发现的巴基球（富勒烯）、碳纳米管、石墨烯那样。 沸石和沙子类似，是一种结晶形式的二氧化硅，新型汞黝矿结构就在沸石孔隙内形成。沸石通常用作洗衣洗涤剂中的水软化剂或催化裂化石油成汽油。尽管创造者们最初没有意识到它们就是理论化学家们研究了几十年的汞黝矿，但是他们也一直在研究沸石模板碳（ZTC）有趣的特性。 基于理论化学家们的理论工作，化学家预测汞黝矿具有独特的电子、磁性和光学性质，可用作超级电容器、电池电极和催化剂，它们应该还具有适合储气和分离的很大内部空间。 加州大学伯克利分校的博士后研究员Efrem Braun及其同事根据其负曲率将这些ZTC材料确定为汞黝矿，他们还开发了一种方法来预测哪种沸石可用于制造汞黝矿，哪些不能。 Berend Smit是加州大学伯克利分校化学和生物分子工程的兼职教授以及多孔材料（如沸石、金属有机骨架）专家，他说道：“我们现在有了如何制造这些结构的方法，这一步意义非凡，因为如果我们能够制造这些结构，就可以探索它们的行为，这也是我们现在正在努力的。” 通讯作者Smit，Braun以及其在瑞士，中国，德国，意大利和俄罗斯的同事共同在《National Academy of Sciences》杂志中报告了他们的发现。 众所周知，金刚石、石墨是纯碳三维晶体排列的材料，碳原子也可以形成二维“晶体”-六角形排列铁丝网形状的图案，石墨烯就是这样的二维排列：平坦的碳原子片层不仅是地球上最强的材料，而且具有高导电性，在电子设备组件应用方面具有巨大潜力。 石墨烯片可以卷曲形成足球形状的富勒烯-球形碳笼可以储存分子，已被用于向人体内输送药物和基因。石墨烯还可以轧制成圆柱碳纳米管，被探索为高导电率的电线以及用于诸如氢和二氧化碳的气体的储存容器。 迄今为止只合成了曲率为零的正弯曲富勒烯和石墨烯，分别于1996年和2010年获得诺贝尔奖。然而，早在19世纪80年代，德国物理学家Hermann Schwarz研究了类似于肥皂泡表面的负弯曲结构。当碳笼分子的理论研究在20世纪90年代兴起时，人们再一次把假想的负弯曲碳片与Schwarz名字关联起来。 Braun说：“schwarzites的实验验证了石墨烯可能曲率的三重曲线：正弯曲、平坦以及负弯曲。就像线框上的肥皂泡，汞黝矿是toubu拓扑上最小的表面。为在沸石内部形成汞黝矿，往沸石内注入含碳分子的蒸气，碳原子在沸石内孔壁上组装成二维石墨烯片。石墨烯片表面被拉紧以最小化其面积，使得所有表面都像马鞍一样呈负曲线，然后溶解沸石得到汞黝矿。 Braun讲道：“这些负弯曲的碳本身很难合成，但事实证明沸石表面可催化生长所需碳膜。不过迄今为止合成的汞黝矿都是随机实验和错误的选择沸石模板而制成的，而我们提出了非常简单的制造方式，可通过选择选择正确的沸石，合理成功的制造汞黝矿，并可调整汞黝矿以优化所需属性。” 研究人员正在研究如何将大量的电荷保存在汞黝矿中，若是成功的话，可超过目前最好的电容器。它们的大内部体积还可以存储原子和分子，这也是目前富勒烯和碳纳米管研究的热门。另外其表面积也很大，相当于生长的沸石的表面积，可像沸石一样用于催化石油和天然气工业中的反应。 Braun利用已知的沸石结构对ZTC结构进行了计算，并与瑞士Sion的École Polytechnique Fédérale de Lausanne拓扑数学家Senja Barthel合作，确定了类似结构的最小表面。 团队确定在迄今为止创造的约200种沸石中，有15种可用于制造汞黝矿的模板，而目前只有3种被用于生产汞黝矿ZTC。 关于张江发展战略研究院 上海张江发展战略研究院是张江国家自主创新示范区的智库和智囊。主要承担了5项工作： 1 2 3 4 5
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