基于层间限域反应可控制备超短碳纳米管及其性能研究

The properties of carbon nanotubes (CNTs) are closely related to their structure. Therefore the development of controllable synthesis of CNTs with a specific number of layers, diameter, length and chirality offers the ability to tailor properties for new applications, and is of high fundamental scientific as well as practical value. Based on our initial preliminary findings, we will systematically study the fabrication of length-, layer-, diameter- and chirality-controlled supershort CNTs (ss-CNTs) by taking advantage of the confined space available in the two-dimensional galleries of layered double hydroxides (LDHs). In addition, we will study the properties of ss-CNTs with lengths down to the molecular scale and their potential applications. We will also investigate the relationship between structure and properties. This project will not only lead to a simple, effective and controllable method for the synthesis of ss-CNTs, but also provide valuable information about the characteristics and basic rules governing reactions in confined interlayer spaces.

碳纳米管的性能与其结构密切相关，实现碳纳米管长度、层数、直径和手性的可控制备是调控碳纳米管性能、实现其更广泛应用的关键，具有重要的科学意义和应用价值。在已取得的初步研究结果基础上，本项目拟利用层状双羟基复合金属氧化物(LDHs)构建层间限域空间，基于层间限域催化碳化反应制备超短碳纳米管，研究层间限域生长碳纳米管的机理及影响因素，进而实现具有特定长度、层数、直径及手性特征的超短碳纳米管的可控制备。研究探讨长度降至分子尺度(～1 nm)的超短碳纳米管的独特性质及其在电化学储能、荧光分析检测等领域的应用，揭示超短碳纳米管结构与性能间的关系规律。本项目的立项和实施，一方面有望建立一条简单、有效、可控制备超短碳纳米管的新方法，另一方面，也将使我们对限域环境下的化学反应特点及材料生长规律获得深层次的理解和认识，为在限域环境下制备纳米功能材料提供理论依据。

碳纳米管、石墨烯等新型碳纳米材料以其独特而优良的性能在新能源领域展现出广阔应用前景，可控制备此类新型碳纳米材料是进一步提升其应用性能、促进其实际应用的重要途径。基于限域反应可控制备纳米材料是国际纳米科技的前沿领域，日益引起人们的关注，但基于限域反应制备新型碳纳米材料及其复合材料尚鲜有报道。.本项目利用层状双羟基复合金属氧化物(LDHs)构建层间限域空间并基于层间限域催化碳化反应制备超短碳纳米管，系统研究了层间限域生长碳纳米管的机理，分析并掌握了影响碳纳米管长度、直径、层数等结构参数的关键因素及规律，获得了长度～1 nm的超短碳纳米管，开发了可控制备超短碳纳米管的新方法；将超短碳纳米管用于锂离子电池负极，表现出高达1263 mAh/g的比容量及优异的倍率性能及循环稳定性，结合高分辨透射电镜，对超短碳纳米管脱嵌锂机制有了更明确认识；荧光测试表明，超短碳纳米管具有独特的双波长荧光特性，初步分析与超短碳纳米管在径向及轴向两个维度的量子效应有关，为超短碳纳米管在荧光分析检测领域的应用奠定了基础。进一步将层间限域反应原理和方法应用于石墨烯（碳纳米片）基材料的可控制备，通过调变LDHs层板元素组成、层间客体类型及焙烧硫化工艺，获得了硫氮共掺杂碳纳米片、钴氮共掺杂空心碳球，单分散硫化钴/氮掺杂空心碳球，硫化钴/氮掺杂碳纳米花等系列新型纳米材料。其中，硫氮共掺杂碳纳米片作为锂离子电池负极表现出高达2240 mAh/g的比容量及优异的循环稳定性(500周容量保持率96.6%)；钴氮共掺杂空心碳球则表现出很高的氧还原催化活性。.本项目建立了基于层间限域反应制备新型碳纳米材料及其复合材料的新方法，通过申请中国及国际专利初步形成自主知识产权；本项目也使我们对层间限域环境下的化学反应特点及材料生长规律有了更深入的理解和认识，丰富和完善了基于限域反应制备纳米材料理论。