美国南卡罗莱纳大学&中国科学院大学Nanoscale：T-carbon — 能源领域中的潜在重要应用

T-carbon （T碳）作为碳家族的一个新成员，于2011年在理论上预测提出，2017年在实验室成功合成。由于其独特的结构和性质，T碳在能源领域包括热电、储氢、锂电池等应用方面，具有较大的发展潜力。

【引言】

随着人类社会和全球经济的快速发展，资源的消耗逐渐增加，特别是自第一次工业革命以来，数百万年来积累在地球上的化石燃料，如煤，石油和天然气等，可能会在数百年内因巨大的能源需求而耗尽。资源枯竭的挑战，和随之而来的对环境有害副产品的工业生产，促使我们寻找未来能源的可能解决方案。一种可能的方式是提高能源的利用效率，开发新技术以减少能源浪费，并收集废热以供再利用。除此之外，我们也需要寻找可持续能源、可再生能源、清洁能源等。

众所周知，由于较低的能量转换效率，在工厂，家庭烹饪和车辆驾驶中大量的能量会被浪费。例如，发动机的效率约为25-50 %，其余部分能量以废热的形式排放到自然界，造成严重的环境污染和资源浪费。如果这些废热可以被回收再利用，我们将从根本上提高能源利用效率，并在一定程度上解决当前的能源和环境问题。另一方面，二氧化碳、一氧化碳以及PM 2.5等粉尘颗粒是消耗化石燃料时的有害副产品，除了环境污染之外，化石燃料也是温室效应导致全球变暖的根本原因。因此，人们需要寻求经济、可持续（可再生）、清洁（环境友好）和地球上含量丰富的下一代能源，希望来解决这些挑战。

【成果简介】

由于碳基材料具有良好的物理、化学性质，已有大量研究在探索碳基材料在未来能源技术中的可能应用。但是，大规模制造碳基纳米结构仍具有很大的挑战，许多工作都致力于其合成过程研究，如自下而上的碳基分子设计，皮秒脉冲激光辐照碳纳米管实现的赝拓扑转换等等。受益于新合成技术的发展和进步，新型碳材料的合成变得可行。

最近，一种先前理论研究预测提出的碳同素异形体 [Phys. Rev. Lett. 106, 155703 (2011)]，T-carbon，已在实验室中成功实现了合成制备 [Nature Communications 8, 683 (2017)]。

来自美国南卡罗莱纳大学的秦光照（第一作者）、胡明（通讯作者）与中国科学院大学的郝宽荣（第二作者）、闫清波（通讯作者）、苏刚（通讯作者）合作研究并撰写了一篇专题论文（feature article），介绍T-carbon理论预测和实验合成的历程，并讨论它在未来能源领域的应用前景。国际上不同研究组的一系列研究表明，T-carbon在热电、储氢、锂离子电池、钙钛矿太阳能电池、光催化剂等方面均具有重要的潜在应用价值。作者在该文中还讨论了未来T-carbon在能源应用中的挑战、机遇和可能的研究方向。

该工作于近日发表于工程技术领域国际SCI顶级期刊《Nanoscale》上。

【图文导读】

图1. 概览T-carbon的性质、在能源领域的应用、增强热电和储氢性能的可能方法以及未来的发展方向。

T-carbon具有很多独特的物理化学性质，如蓬松的中空结构、较低的密度、可调的大直接带隙、高载流子迁移率等等，在能源领域很多方面都有潜在重要的应用前景，如热电、储氢、锂电池、钙钛矿、电化学、太阳能等等。

为了拓展其进一步的应用前景，还需要探索T-carbon更多的制备方法和手段以实现大规模合成，如负压条件下的可控生长等。

除此之外，T-carbon为解决星际尘埃中碳之谜也提供了重要的契机，极有可能已经在星际空间中广泛存在，值得进一步开展跨学科的广泛合作研究。

图2. 给出了已知的碳材料家族。

自然界中存在的三维碳结构包括无定形碳、石墨和金刚石，T-carbon是三维碳结构的新成员。除此之外，在实验室中人工制备了低维碳结构，包括零维碳富勒烯（1985年发现，1996年获诺贝尔奖）、一维碳纳米管（1991年发现， 2008年Kavli奖）、二维石墨烯（2004年发现，2010年获诺贝尔奖）以及石墨炔。

T-carbon是除了自然界中存在的三种块体碳之外的又一种块体碳结构，具有类似于金刚石的晶体结构，可以通过将金刚石中每个碳原子替换为一个四面体的C4单元来获得。在实验合成中，使用皮秒脉冲激光辐照多壁碳纳米管，实现赝拓扑转换从而产生T-carbon结构。

图3. 给出了T-carbon在能源领域中几个典型的潜在应用，包括热电、储氢和锂电池等。

基于第一性原理计算研究发现，T-carbon具有非常高的塞贝克系数，在一定的温差下可以产生较大的电压，从而可实现将热能转换为电能。T-carbon的热电效应可以通过一些方法进一步提高，如掺杂、施加应变，或纳米结构设计等。

此外，研究发现T-carbon的储氢性能可高达7.7 wt%，对比很多广泛应用的储氢材料有较强的发展潜力。

T-carbon在锂电池方面也有着重要的应用前景，研究发现锂离子可以稳定置放于T-carbon中空的位置，其储能密度对比石墨超出58%，同时迁移势垒仅为石墨的1/4，因此T-carbon可能是一种性能良好的锂离子电池材料。

参考文献：

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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