低熔点无机非金属单质在碳纳米管中转移的动力学及锂化机理原位透射电镜研究

The transport of nanoscale liquids in carbon nanotubes is a significant research of important applications including ultrafiltration, drug release, etc. At present, the transport of metals, metal alloys, molten salts and oxides inside nanotubes have been studied by experimental phenomena and theoretical analyses. But no report has been focused on the transport of inorganic nonmetallic materials in carbon nanotubes. Based on the previous researches, this research will be carried out as follows: (1) preparing inorganic nonmetallic materials (S, P) filled in carbon nanotubes; (2) studying change of melting points of filled S, P within the variable diameter of carbon nanotubes by in-situ heating system, and propose mechanism for these phenomena; (3) discovering factors (include heat, force, electricity etc.) relate to the transport of liquid S, P in carbon nanotubes by TEM-STM system, and reveal systematic dynamics/thermodynamics analyses and mechanisms on the mass transportation of the liquid S, P inside carbon nanotubes. Accurate control of the migration direction and stopping position of the liquid S, P in carbon nanotubes; (4) studying microstructure evolution of filled S, P carbon nanotubes during in-situ lithiation process, control the change of chemical composition, volume and SEI layer, proposing the reaction mechanisms of filled S, P carbon nanotubes during lithiation/delithiation process.

液体物质在碳纳米管中转移在超细过滤、药物释放等方面有重要应用价值。目前，研究者们已经实现了金属、合金和化合物等在碳纳米管中的转移现象并进行了理论分析。但关于无机非金属单质在碳纳米管中转移及应用的研究还未见报道。基于申请者的研究基础，拟开展如下工作：（1）低熔点无机非金属硫、磷单质填充碳纳米管的制备；（2）通过纳米材料原位加热测试系统，研究不同直径碳纳米管对填充在碳纳米管内硫、磷熔点的影响及引起熔点变化的机理；（3）通过TEM-STM测试系统，探讨在外场作用（热，电，力等）下对液态硫、磷在碳纳米管中转移的影响，揭示液态硫、磷单质在填充碳纳米管中转移的动力学/热力学过程及转移的机理，实现对液态硫、磷在碳纳米管中转移的精确控制；（4）研究硫、磷单质填充碳纳米管电极材料在锂化过程中的微结构演化，实现对硫和磷在碳纳米管中化学成分、体积和SEI膜变化等的控制，揭示该复合结构在反应过程中嵌/脱锂机制。

硫和磷在能源存储方面是极具发展前景的新型高容量储能材料。液体物质在碳纳米管中转移在超细过滤、药物释放等方面有重要应用价值。本研究旨在采用纳米材料单体原位透射电镜操纵系统，对低熔点无机非金属硫、磷单质填充碳纳米管的服役行为进行评估。重要结果和关键数据有：.（1）成功制备了MnO2@Void包裹多孔碳纳米管、S@C@TiO2@C复合结构、MnO2@C/S复合结构 S@Co3O4/C复合结构、 S@Co3O4/C复合结构、 S@C@TiO2复合结构、 S@CoO/C复合结构、S@镍钴硫空心球复合结构，S/纳米镍钴硫粒子复合结构等锂硫电池电极复合材料，并研究了这些复合材料的电池性能，获得了高性能的锂硫电池。利用原位系统，研究这些复合材料在锂化过程中的微结构演化，实现对锂硫电池电化学反应过程中化学成分变化、体积变化和SEI膜变化等的有效控制，揭示该硫复合结构在反应过程中嵌/脱锂机制。.（2）成功制备了磷填充碳纳米管、红磷/石墨烯复合结构、磷/MOF复合结构等锂离子电池电极材料，并研究了这些复合材料的电池性能，获得了高性能的磷复合材料的锂离子电池。利用原位系统，研究这些复合材料在锂化过程中的微结构演化，实现对磷在电化学反应过程中体积和SEI膜变化等的有效控制，揭示该磷复合结构在反应过程中嵌/脱锂机制。.（3）通过TEM-STM测试系统，通过改变温度、电压和碳纳米管长度变化，分析了液态硫、磷在碳纳米管中收到电场力、温度梯度力、毛细力、静电力等作用，实现对液态硫、磷在碳纳米管中转移的影响，揭示液态硫、磷单质在填充碳纳米管中转移的动力学/热力学过程及转移的机理，实现对液态硫、磷在碳纳米管中转移的精确控制。.（4）在该项目的支持下，开发了多种高效和生物兼容性好的近红外光热转换材料，如Bi2S3纳米花、Fe3S4四方片、RuO2纳米粒子、多孔硫化钴空心纳米球、SnS纳米片、氧化锰纳米花等，实现了光声成像、核磁成像、红外热成像和光热治疗的结合。. 通过4年的课题研究，以第一作者和通讯作者发表SCI论文27篇，其中影响因子大于10的SCI论文11篇；授权专利5项；培养参与项目的2名讲师晋升为副教授；培养2名博士毕业生和5名硕士毕业生。