【写作竞赛】超短碳纳米管–碳纳米环的合成及锂电性能

自从1991年碳纳米管被发现以来,其作为一维碳材料掀起了研究热潮,这是由于碳纳米管的性质和应用取决于本身的参数如层数、直径、长度等。在径向方面,目前可以控制合成单壁碳纳米管,内部直径只有0.4 nm,然而在轴向方面,碳纳米管的长度在合成过程中却很难控制。如果能够攻克这一难关,合成超短碳纳米管,那么其性质和应用在生物医学、催化、储氢、储能等领域都将焕然一新。

轴向长度短的碳纳米管具有更高的生物相容性和相对低的毒性,能够加速吸/脱附过程,为负载物提供更多可用空间,比如将碳纳米管作为锂离子电池的负极材料,锂离子的扩散速率将会大大提升,与传统的微米长度的碳纳米管相比,超短碳纳米管将会提高锂离子的存储性质。

最近,北京化工大学化工资源有效利用国家重点实验室杨文胜课题组深入研究碳纳米管的合成方法,认为合成超短碳纳米管的难点主要有两方面:一是合成的碳纳米管长度仍然在100 nm 左右甚至更长,而且分布范围较宽;另一方面,轴向和径向同时剪裁会产生很多碎片,使得很难从中分离出想要的超短碳纳米管。

基于此,研究组采用“底部-顶端”法,有效利用限定的空间原位生成碳纳米管,其长径比小于1,可以称作碳纳米环。制备的碳纳米环外径约为20 nm,壁厚3.5 nm,长度仅为1 nm。将碳纳米环作为负极材料用于锂离子电池中时,其电化学性能远远高于其他碳材料及商业上使用的长碳纳米管,例如在0.4 A/g的电流密度下,首次放电容量1991 mAh/g,可逆容量为1237 mAh/g。可逆比容量是商业长碳纳米管的四倍。不同电流密度下的倍率性能也十分优异,这归因于碳纳米管的独特结构及连通的孔道和超短长度的特性(约1 nm),这些特性能够有效缩短离子的传输距离、增加锂离子的存储位点。

该课题组提出的快速制备碳纳米管的方法,是在限定空间内,通过催化剂上原位生长形成的,此种方法为合成轴向长度可控的碳纳米管提供了参考。将来有可能实现合成层数可控的碳纳米管,也期待碳纳米管能够广泛应用于能源存储、生物标记、催化、纳米电子及纳米光子器件等领域。