中國粉體網(wǎng)5月16日訊  自從1991年被發(fā)現(xiàn)以來，碳納米管這種一維形式同素異形體開啟了碳材料的新紀(jì)元，其性質(zhì)及應(yīng)用依賴于其結(jié)構(gòu)參數(shù)。雖然碳納米管通過可控合成可以實(shí)現(xiàn)直徑的精確可調(diào)，但是其軸向長度的控制卻非常困難。然而碳納米管的長度將顯著影響其宏觀性能。例如超長碳納米管能夠在宏觀尺度上體現(xiàn)其獨(dú)特的材料性能，超短碳納米管則提供了高密度的活性位點(diǎn)，使其在生物藥物、催化和能源存儲(chǔ)方面有著極其廣泛的用途。例如超短的碳納米管作為鋰離子電池負(fù)極材料時(shí)，相比傳統(tǒng)的微米級長度的碳納米管，超短碳納米管將縮短鋰離子的傳導(dǎo)通道，并通過豐富的邊緣位點(diǎn)提供更多的鋰離子存儲(chǔ)位點(diǎn)。當(dāng)超短碳納米管的長徑比小于1時(shí)，其也可稱為碳納米環(huán)或者環(huán)繞石墨烯帶，這是傳統(tǒng)的將長碳納米管截短的方法所不能實(shí)現(xiàn)的。

    最近，北京化工大學(xué)的段雪院士領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)在超短碳納米管的研究上取得了重大進(jìn)展。他們基于長期以來對插層材料的堅(jiān)實(shí)研究和深刻認(rèn)識(shí)，利用層狀雙羥基金屬氫氧化物(LDH)的層間空間限域作用，合成了十二烷基磺酸陰離子(DSO)插層的Co-Al LDH。而后以LDH層間的甲基丙烯酸甲酯(MMA)為碳源，通過還原得到的活性金屬Co的催化作用，合成生長了長度小于1 nm(分子尺度)，外徑和壁厚分別約為20 nm和3.5 nm的碳納米環(huán)。這種碳納米環(huán)具有超短的軸向維度以及其開放端口帶來的豐富石墨層邊緣位點(diǎn)，應(yīng)用于鋰離子電池負(fù)極材料，獲得了高達(dá)1237 mAh g-1的可逆容量，遠(yuǎn)高于目前商用的球形石墨、中間相炭微球等。同時(shí)在逐步提高電流密度的快速充放電過程中，該材料仍然具備很高的可逆容量。相關(guān)研究發(fā)表在最近的Advanced Materials上。

    碳納米環(huán)這種超短碳納米管的成功合成，與LDH這種插層材料有著極大的關(guān)聯(lián)。LDH是一類具有水鎂石層狀結(jié)構(gòu)的陰離子粘土材料，其中的某些二價(jià)陽離子被三價(jià)陽離子取代而使得LDH片層帶正電荷，這些多余的正電荷由插層的陰離子進(jìn)行補(bǔ)償，通過插層的陰離子及層間的相互作用，獲得LDH單片層間的受限空間。利用LDH進(jìn)行空間限域，進(jìn)而催化生長碳納米環(huán)為超短碳納米管的研究提供了新思路�？梢韵胂蟮氖牵�通過調(diào)變LDH中插層陰離子的種類以及層間碳源的量，可以獲得一系列有著不同長度和壁數(shù)的碳納米環(huán)，將在能源存儲(chǔ)、生物探針、催化以及納電子學(xué)、納光子學(xué)取得更加廣泛而重要的作用。