受限分子自组装方式控制制备结构规整的碳纳米结构材料

有效可控地制备单分散且结构规整的碳纳米结构材料具有十分重要的意义，是一项极富有挑战性的研究课题。基于已取得的初步研究结果，本项目拟通过新型两亲性分子的设计合成，结合超分子组装，溶胶-凝胶，有序介孔成膜, 以及原位聚合与碳化等技术，在受限空间中对碳源分子的排列与组织在分子层次上进行调控，进而实现对单分散碳纳米结构形成的控制，获得高质量纯净的超细碳线，单层石墨烯，富勒烯，或单壁碳纳米管材料。本项目的设立和开展，一方面有望探索出一条简单、有效、可控的制备单分散碳纳米结构的新方法和途径；另一方面，也将使我们对受限空间中分子自组装行为，以及化学转化规律获得深层次的理解和认识，为其它功能超分子化学体系和超分子化学材料的构建和制备提供有价值的信息。

本课题组于2011年1月至2013年12月期间承担了“受限分子自组装方式控制制备结构规整的碳纳米结构材料”的研究。本项目的研究目标旨在利用三年时间通过受限分子自组装方式发展出一条简单、有效、可控的制备不同单分散碳纳米结构材料的新方法和途径，并对受限空间内分子自组装行为，以及高温中碳源分子转化规律等进行系统研究。为达到此目标，本课题组研究的主要内容在于设计合成一系列含有吡咯基团的表面活性剂作为结构导向剂和碳源单体，并结合溶胶凝胶化学，超分子自组装等手段控制制备出多种结构规整的含有可聚合碳化基元的介孔二氧化硅模板材料，进而通过原位聚合与碳化介孔孔道空腔中密集有序排列的碳源分子，在除去二氧化硅模板后，得到单分散的结构规整的碳纳米结构材料。这一计划内容已得到顺利的执行，并完成了预定的目标，同时也获得了一些新的发现。在项目执行期间，我们共设计合成了六大类具有吡咯基团的表面活性剂，深入系统地研究了它们在体相中的自组装行为和聚集态形貌，分别在“基于交换离子液体表面活性剂对抗离子实现有序介观相调节的体系构筑”、“超细碳纳米纤维基中空碳球的制备及多种掺杂体系的构建”、“基于水热法实现小尺度介孔二氧化硅囊泡及碳囊泡的可控合成”、以及“基于动态微乳界面生长法实现自支撑的介孔二氧化硅薄膜及其衍生的石墨片层材料的可控制备”四个方向进行了具体深入的研究。三年期间，本课题组不仅通过受限分子自组装方式成功地制备了碳纳米纤维基中空碳球、小尺度碳囊泡及自支撑石墨片层等结构规整的碳纳米结构材料，还提出了一系列如“交换对抗离子调节有序介孔相”、“受限空间内双掺杂位点的前躯体实现多组分的碳材料掺杂”，“受限空间原位制备金纳米微晶”等关于自组装和碳材料结构功能化的新学术思想；并培养博士、硕士研究生8名。本课题组基于开展的工作已在Chem.Sci., Chem.Eur.J., Chem.Commun., J. Mater. Chem., Polym.Chem.等重要的学术期刊上发表论文12篇, 同时还有数篇工作在整理撰写之中，将在近期发表。