超短碳纳米管研究取得新进展

　　自从1991年被发现以来，碳纳米管这种一维形式同素异形体开启了碳材料的新纪元，其性质及应用依赖于其结构参数。虽然碳纳米管通过可控合成可以实现直径的精确可调，但是其轴向长度的控制却非常困难。然而碳纳米管的长度将显著影响其宏观性能。例如超长碳纳米管能够在宏观尺度上体现其独特的材料性能，超短碳纳米管则提供了高密度的活性位点，使其在生物药物、催化和能源存储方面有着极其广泛的用途。例如超短的碳纳米管作为锂离子电池负极材料时，相比传统的微米级长度的碳纳米管，超短碳纳米管将缩短锂离子的传导通道，并通过丰富的边缘位点提供更多的锂离子存储位点。当超短碳纳米管的长径比小于1时，其也可称为碳纳米环或者环绕石墨烯带，这是传统的将长碳纳米管截短的方法所不能实现的。

　　最近，北京化工大学的段雪院士领导的团队在超短碳纳米管的研究上取得了重大进展。他们基于长期以来对插层材料的坚实研究和深刻认识，利用层状双羟基金属氢氧化物(LDH)的层间空间限域作用，合成了十二烷基磺酸阴离子(DSO)插层的Co-Al LDH。而后以LDH层间的甲基丙烯酸甲酯(MMA)为碳源，通过还原得到的活性金属Co的催化作用，合成生长了长度小于1 nm(分子尺度)，外径和壁厚分别约为20 nm和3.5 nm的碳纳米环。这种碳纳米环具有超短的轴向维度以及其开放端口带来的丰富石墨层边缘位点，应用于锂离子电池负极材料，获得了高达1237 mAh g-1的可逆容量，远高于目前商用的球形石墨、中间相炭微球等。同时在逐步提高电流密度的快速充放电过程中，该材料仍然具备很高的可逆容量。相关研究发表在最近的Advanced Materials上。

　　碳纳米环这种超短碳纳米管的成功合成，与LDH这种插层材料有着极大的关联。LDH是一类具有水镁石层状结构的阴离子粘土材料，其中的某些二价阳离子被三价阳离子取代而使得LDH片层带正电荷，这些多余的正电荷由插层的阴离子进行补偿，通过插层的阴离子及层间的相互作用，获得LDH单片层间的受限空间。利用LDH进行空间限域，进而催化生长碳纳米环为超短碳纳米管的研究提供了新思路。可以想象的是，通过调变LDH中插层阴离子的种类以及层间碳源的量，可以获得一系列有着不同长度和壁数的碳纳米环，将在能源存储、生物探针、催化以及纳电子学、纳光子学取得更加广泛而重要的作用。