美國南卡羅萊納大學&中國科學院大學Nanoscale：T-carbon — 能源領域中的潛在重要應用

T-carbon （T碳）作為碳家族的一個新成員，于2011年在理論上預測提出，2017年在實驗室成功合成。由于其獨特的結構和性質，T碳在能源領域包括熱電、儲氫、鋰電池等應用方面，具有較大的發展潛力。

【引言】

隨著人類社會和全球經濟的快速發展，資源的消耗逐漸增加，特別是自第一次工業革命以來，數百萬年來積累在地球上的化石燃料，如煤，石油和天然氣等，可能會在數百年內因巨大的能源需求而耗盡。資源枯竭的挑戰，和隨之而來的對環境有害副產品的工業生產，促使我們尋找未來能源的可能解決方案。一種可能的方式是提高能源的利用效率，開發新技術以減少能源浪費，并收集廢熱以供再利用。除此之外，我們也需要尋找可持續能源、可再生能源、清潔能源等。

眾所周知，由于較低的能量轉換效率，在工廠，家庭烹飪和車輛駕駛中大量的能量會被浪費。例如，發動機的效率約為25-50 %，其余部分能量以廢熱的形式排放到自然界，造成嚴重的環境污染和資源浪費。如果這些廢熱可以被回收再利用，我們將從根本上提高能源利用效率，并在一定程度上解決當前的能源和環境問題。另一方面，二氧化碳、一氧化碳以及PM 2.5等粉塵顆粒是消耗化石燃料時的有害副產品，除了環境污染之外，化石燃料也是溫室效應導致全球變暖的根本原因。因此，人們需要尋求經濟、可持續（可再生）、清潔（環境友好）和地球上含量豐富的下一代能源，希望來解決這些挑戰。

【成果簡介】

由于碳基材料具有良好的物理、化學性質，已有大量研究在探索碳基材料在未來能源技術中的可能應用。但是，大規模制造碳基納米結構仍具有很大的挑戰，許多工作都致力于其合成過程研究，如自下而上的碳基分子設計，皮秒脈沖激光輻照碳納米管實現的贗拓撲轉換等等。受益于新合成技術的發展和進步，新型碳材料的合成變得可行。

最近，一種先前理論研究預測提出的碳同素異形體 [Phys. Rev. Lett.?106, 155703 (2011)]，T-carbon，已在實驗室中成功實現了合成制備 [Nature Communications 8, 683 (2017)]。

來自美國南卡羅萊納大學的秦光照（第一作者）、胡明（通訊作者）與中國科學院大學的郝寬榮（第二作者）、閆清波（通訊作者）、蘇剛（通訊作者）合作研究并撰寫了一篇專題論文（feature article），介紹T-carbon理論預測和實驗合成的歷程，并討論它在未來能源領域的應用前景。國際上不同研究組的一系列研究表明，T-carbon在熱電、儲氫、鋰離子電池、鈣鈦礦太陽能電池、光催化劑等方面均具有重要的潛在應用價值。作者在該文中還討論了未來T-carbon在能源應用中的挑戰、機遇和可能的研究方向。

該工作于近日發表于工程技術領域國際SCI頂級期刊《Nanoscale》上。

【圖文導讀】

圖1. 概覽T-carbon的性質、在能源領域的應用、增強熱電和儲氫性能的可能方法以及未來的發展方向。

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T-carbon具有很多獨特的物理化學性質，如蓬松的中空結構、較低的密度、可調的大直接帶隙、高載流子遷移率等等，在能源領域很多方面都有潛在重要的應用前景，如熱電、儲氫、鋰電池、鈣鈦礦、電化學、太陽能等等。

為了拓展其進一步的應用前景，還需要探索T-carbon更多的制備方法和手段以實現大規模合成，如負壓條件下的可控生長等。

除此之外，T-carbon為解決星際塵埃中碳之謎也提供了重要的契機，極有可能已經在星際空間中廣泛存在，值得進一步開展跨學科的廣泛合作研究。

圖2. 給出了已知的碳材料家族。

自然界中存在的三維碳結構包括無定形碳、石墨和金剛石，T-carbon是三維碳結構的新成員。除此之外，在實驗室中人工制備了低維碳結構，包括零維碳富勒烯（1985年發現，1996年獲諾貝爾獎）、一維碳納米管（1991年發現， 2008年Kavli獎）、二維石墨烯（2004年發現，2010年獲諾貝爾獎）以及石墨炔。

T-carbon是除了自然界中存在的三種塊體碳之外的又一種塊體碳結構，具有類似于金剛石的晶體結構，可以通過將金剛石中每個碳原子替換為一個四面體的C4單元來獲得。在實驗合成中，使用皮秒脈沖激光輻照多壁碳納米管，實現贗拓撲轉換從而產生T-carbon結構。

圖3. 給出了T-carbon在能源領域中幾個典型的潛在應用，包括熱電、儲氫和鋰電池等。

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基于第一性原理計算研究發現，T-carbon具有非常高的塞貝克系數，在一定的溫差下可以產生較大的電壓，從而可實現將熱能轉換為電能。T-carbon的熱電效應可以通過一些方法進一步提高，如摻雜、施加應變，或納米結構設計等。

此外，研究發現T-carbon的儲氫性能可高達7.7 wt%，對比很多廣泛應用的儲氫材料有較強的發展潛力。

T-carbon在鋰電池方面也有著重要的應用前景，研究發現鋰離子可以穩定置放于T-carbon中空的位置，其儲能密度對比石墨超出58%，同時遷移勢壘僅為石墨的1/4，因此T-carbon可能是一種性能良好的鋰離子電池材料。

參考文獻：

Guangzhao Qin, Kuan-Rong Hao, Qing-Bo Yan*, Ming Hu*, Gang Su*, Exploring T-carbon for energy applications, Nanoscale?11,?5798-5806 (2019) DOI: 10.1039/C8NR09557D?(Feature Article)

本文系球球姐供稿。

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