中國粉體網5月16日訊  自從1991年被發現以來，碳納米管這種一維形式同素異形體開啟了碳材料的新紀元，其性質及應用依賴于其結構參數。雖然碳納米管通過可控合成可以實現直徑的精確可調，但是其軸向長度的控制卻非常困難。然而碳納米管的長度將顯著影響其宏觀性能。例如超長碳納米管能夠在宏觀尺度上體現其獨特的材料性能，超短碳納米管則提供了高密度的活性位點，使其在生物藥物、催化和能源存儲方面有著極其廣泛的用途。例如超短的碳納米管作為鋰離子電池負極材料時，相比傳統的微米級長度的碳納米管，超短碳納米管將縮短鋰離子的傳導通道，并通過豐富的邊緣位點提供更多的鋰離子存儲位點。當超短碳納米管的長徑比小于1時，其也可稱為碳納米環或者環繞石墨烯帶，這是傳統的將長碳納米管截短的方法所不能實現的。

    最近，北京化工大學的段雪院士領導的團隊在超短碳納米管的研究上取得了重大進展。他們基于長期以來對插層材料的堅實研究和深刻認識，利用層狀雙羥基金屬氫氧化物(LDH)的層間空間限域作用，合成了十二烷基磺酸陰離子(DSO)插層的Co-Al LDH。而后以LDH層間的甲基丙烯酸甲酯(MMA)為碳源，通過還原得到的活性金屬Co的催化作用，合成生長了長度小于1 nm(分子尺度)，外徑和壁厚分別約為20 nm和3.5 nm的碳納米環。這種碳納米環具有超短的軸向維度以及其開放端口帶來的豐富石墨層邊緣位點，應用于鋰離子電池負極材料，獲得了高達1237 mAh g-1的可逆容量，遠高于目前商用的球形石墨、中間相炭微球等。同時在逐步提高電流密度的快速充放電過程中，該材料仍然具備很高的可逆容量。相關研究發表在最近的Advanced Materials上。

    碳納米環這種超短碳納米管的成功合成，與LDH這種插層材料有著極大的關聯。LDH是一類具有水鎂石層狀結構的陰離子粘土材料，其中的某些二價陽離子被三價陽離子取代而使得LDH片層帶正電荷，這些多余的正電荷由插層的陰離子進行補償，通過插層的陰離子及層間的相互作用，獲得LDH單片層間的受限空間。利用LDH進行空間限域，進而催化生長碳納米環為超短碳納米管的研究提供了新思路。可以想象的是，通過調變LDH中插層陰離子的種類以及層間碳源的量，可以獲得一系列有著不同長度和壁數的碳納米環，將在能源存儲、生物探針、催化以及納電子學、納光子學取得更加廣泛而重要的作用。