從最開始的富勒烯到碳納米管，到今天風頭正勁的石墨烯，再到如今如火如荼的鋰離子電池材料研究，它們火起來的起點在哪里？材料人為您整理近年來材料研究熱點的“開山”文章。

    1、Journal of the Electrochemical Society：磷酸鐵鋰作為鋰電池的正極材料

    磷酸鐵鋰是1997年美國德克薩斯州立大學J. B. Goodenough等人在Journal of the Electrochemical Society上發表的題為“Phospho-olivines as positive-electrode materials for rechargeable lithium batteries”的文章提出的一種鋰離子電池正極材料，為橄欖石結構材料。J. B. Goodenough等人發現在3.5 V電壓下這種橄欖石結構（LiFePO4）可逆性地遷入脫出鋰的特性，證明其作為鋰電池正極材料具有優異的性能。進一步研究發現，其比容量達到100到110mAh/g。遷入或脫出反應通過兩相過程進行，隨著電流密度增加，容量的可逆損失似乎與鋰在整個兩相界面上的擴散限制轉移有關。磷酸鐵鋰也是是目前最安全的鋰離子電池正極材料，不含任何對人體有害的重金屬元素。其理論比容量為170 mAh/g，產品實際比容量可超過140 mAh/g（0.2C,25°C）。

    文獻鏈接：Phospho-olivines as positive-electrode materials for rechargeable lithium batteries（J.Electrochem.Soc.,1997,DOI:10.1149/1.1837571）

    2、Nature：在半導體電極處水的電化學光解

    1972年日本東京大學KENICHI HONDA、神奈川大學AKIRA FUJISHIMA 等人在Nature上發表了題為“Electrochemical photolysis of water at a semiconductor electrode”的研究論文，開創性的發現了一種水光解的新方法。雖然在當時已經有很多工作致力于研究了水的光解的可能性，但大多是毫無突破性進展。因為水對可見光是透明的，所以不能直接分解，而只能用波長短于190nm的輻射令其分解。對于水的電化學分解，在發生陽極過程的一個電極和發生陰極反應的另一個電極之間需要大于1.23V的電位差。這個電位差就相當于波長大約為1000nm的輻射能量。因此，如果在電化學系統中有效地利用光的能量，應該可以用可見光分解水。KENICHI HONDA等人就是基于此方法開創了光催化水分解新時代。

    文獻鏈接：Electrochemical Photolysis of Water at a Semiconductor Electrode（Nature,1972,DOI:10.1038/238037a0）

    3、Nature：C60:巴克敏斯特富勒烯

    1985年萊斯大學H. W. Kroto團隊在Nature上發表了題為“C60: Buckminsterfullerene”的研究論文一舉成名。Kroto主要研究檢測外太空探測到的長鏈線形碳鏈分子，正是在這些實驗中，他們發現了碳的一種新的同素異形體：足球形狀的C60，可能是碳蒸汽被壓縮后形成的。關于什么樣的60碳原子結構可能會是一個超級穩定的結構問題，Kroto提出一個截頂的二十面體，一個有60個頂點和32個面的多邊形，其中12個是五角形的，20個是六角形的。為了向美國建筑師Buckminster Fuller致敬，Kroto提議將這種新的同素異形體命名為巴克敏斯特富勒烯。也正是因為這項工作，Kroto與Robert Curl、Richard Smalley一同獲得了1996年的諾貝爾化學獎，并在同年被授予爵位。

    文獻鏈接：C60: Buckminsterfullerene（Nature,2017,DOI:10.1038/318162a0）

    4、Nature：螺旋的碳納米管

    正是基于上述富勒烯的發現，1991年日本電子公司Sumio Iijima博士發現了更加奇特的碳納米管結構，并在Nature上發表了題為“Helical microtubules of graphitic carbon”的文章。在Iijima將其命名之前，已經有人將其制造出來但是沒有意識到這種結構會是顛覆傳統認知，改變人生軌跡的福星。這種結構與用于富勒烯合成方法類似的電弧放電蒸發方法生產，針狀物在用于電弧放電的電極的負極端生長。電子顯微鏡顯示每根針都包含石墨片的同軸管，數量從2個到約50個。在每個管上，碳原子六邊形圍繞針狀物軸線以螺旋方式排列，研究發現這個螺旋結構有助于生長過程。

    文獻鏈接：Helical microtubules of graphitic carbon（Nature,1991,DOI:10.1038/354056a0）

    5、Science：原子級薄碳膜的電場效應

    2004年曼徹斯特大學A. K. Geim團隊在Science發表題為“Electric field effect in atomically thin carbon films”的研究論文，拉開了石墨烯的序幕。該團隊制備了幾個原子級厚度的單晶石墨膜，但是在正常條件下仍然十分穩定的。發現這些薄膜是二維半金屬，在價電子帶和電導帶之間有很小的重疊，并且它們表現出強烈的雙極性電場效應，使得電子和空穴濃度高達每平方厘米1013個，室溫遷移率可以通過施加柵極電壓來誘導達到每伏秒？10,000平方厘米。通過進一步研究Geim等人制備出了越來越薄的薄片，最后，他們得到了僅由一層碳原子構成的薄片，這就是石墨烯。

    文獻鏈接：Electric field effect in atomically thin carbon films（Science,2004,DOI:0.1126/science.1102896）

    6、Nature：固化金-硅合金中的非晶態結構

    1960年伯明翰大學POL DUWEZ等人在Nature上發表題為“Non-crystalline structure in solidified gold–silicon alloys”的文章，用快淬工藝制備出了非晶態合金。除了在非常低的溫度下沉積的薄膜以外，在固體金屬和合金中從未觀察到類似于液態的高度無序的原子排列。對于一些非金屬而言，其鍵合實際上可能比金屬更易形成共價鍵，這種無定形結構通過以足夠快的速度從熔體冷卻而保持固態，從而防止形成平衡結晶結構。這種固態合金是長程無序結構，沒有晶態合金的晶粒、晶界存在，稱之為非晶合金。這種非晶合金具有許多獨特的性能，如優異的磁性、耐蝕性、耐磨性、高的強度、硬度和韌性，高的電阻率和機電耦合性能等。

    文獻鏈接：Non-crystalline structure in solidified gold–silicon alloys（Nature,1960,DOI:10.1038/187869b0）

    7、Nature：一種穩定和多孔的金屬有機框架的設計與合成

    1999年密歇根大學O. M. Yaghi等人在Nature上發表題為“Design and synthesis of an exceptionally stable and highly porous metal-organic framework”的文章，成為MOFs領域的開創性工作。金屬有機骨架被廣泛認為是催化，分離，氣體儲存和分子識別應用的有前景的材料。Yaghi等完成了金屬-有機骨架的合成，如X射線單晶分析所證實的那樣，其保持結晶狀態，當完全去溶劑化并且加熱到300℃時表現穩定。這種合成是通過借鑒金屬羧酸鹽簇化學的想法來實現的，其中有機二羧酸酯連接體用于當用單羧酸鹽封端時產生超四面體簇的反應。合成的MOFs比大多數多孔結晶沸石具有更高的表觀面積和孔體積的結構。

    文獻鏈接：Design and synthesis of an exceptionally stable and highly porous metal-organic framework（Nature,1999,DOI:doi:10.1038/46248）

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責任編輯：殷鵬飛

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