碳包覆纳米金属晶的氧化转化机制及空心纳米结构的控制

过渡金属氧化物空心纳米球和纳米管在储能、催化、环境、医药等领域具有广阔的应用前景，是目前纳米材料领域研究的热点内容之一。基于本实验室在碳包覆纳米过渡金属颗粒和纳米棒方面的研究基础，本课题提出通过空气氧化途径实现从碳包覆纳米金属晶到金属氧化物空心纳米结构转变的新思路，以期通过深入探讨碳包覆纳米晶在不同氧化条件下形态结构的演变规律和动力学，揭示氧化物空心纳米结构的形成机理，阐明氧气和包覆碳层在空心纳米结构形成中的作用，实现金属氧化物纳米空心结构的可控制备。在此基础上，针对储能方面的应用背景，合理设计氧化物空心纳米材料及不完全氧化中间产物（碳包覆氧化物纳米空心杂化材料）的结构，开展初步应用研究。这不仅提供了一种空心纳米氧化物大量制备的通用途径，拓展了碳包覆纳米金属晶应用的新领域，而且将深化对气固反应、扩散机理和纳米Kirkendall effect的认识，为该新颖材料的大量合成及应用打下基础。

本课题提出通过空气氧化途径实现从碳包覆纳米金属晶到金属氧化物空心纳米结构转变的新思路，围绕此思路开展了碳包覆纳米金属晶的合成、氧化转化以及转化产物的储锂性能研究，取得一批代表性成果：（1）以固相碳源（石墨、乙炔黑、中间相沥青石墨微球等）为原料合成了石墨烯包覆金属微球以及表面生长纳米碳纤维的石墨烯包覆金属微球，打破了目前纳米碳纤维多通过气相法生长的局限；（2）探明了空气氧化诱导作用下限域于碳管空间的金属的扩散规律和行为，合成了碳包覆金属氧化物空心结构（空心球和纳米管），拓展了纳米Kirkendall效应的应用领域；（3）首次发现了金属氧化物与石墨烯之间共价键的连接不仅可以极（如：C-O-Fe键）的提高了复合电极材料的导电性能，而且可以阻止金属氧化物在充放电过程中发生团聚，对复合材料的高倍率长周期循环能有极大的促进。在Angew. Chem. Int. Ed., JACS, Chem. Mater., Chem. Commun., Carbon, J. Mater. Chem等杂志发表SCI论文23篇，获得国家发明专利1项，申报5项，培养博士生和硕士生10余名，其中一篇博士论文获得2012年度北京市优秀博士学位论文奖励。