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化工学院在纳米碳材料精准合成方面取得新进展

时间:2021-11-03   来源:化工学院   作者:陆安慧团队   

纳米碳材料具有比表面积大、化学和热稳定性强、导电性好等优点,广泛应用于诸多领域。如何精准合成特定形貌的纳米碳材料,使之服务于具体需求,则是当前的研究热点。近日,我校化工学院陆安慧教授团队建立了不对称相转变诱导定向自组装的方法,实现了溶液合成环状纳米碳的突破。

环状形貌纳米碳是一类典型二维材料,是研究低维系统中物质传输等理论的理想模型材料,而且物理化学性质独特,例如与环半径相关的磁响应、环曲率有相关的机电效应等,在生物传感、电磁设备、能源存储等领域具有广阔的应用前景。但在溶液中,基于界面能最低原理,分子在无模板导向下倾向于生成各向同性结构,因此目前尚未有环状形貌纳米碳材料的相关报道。这也意味着,突破这一基本原理的限制,合成环状纳米碳是一项极具挑战性的工作。

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图1 聚合物环、炭环及成环机理

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图2 纳米环的成环组装过程

针对上述挑战,研究团队创新性地运用不对称相转变诱导定向自组装的方法,以双表面活性剂十八醇/F127在溶液中定向自组装形成的环状胶束作为模板剂,聚苯并噁嗪作为碳前驱体,合成了系列纳米碳环。成环过程动力学的研究发现,环状前驱体胶束的形成依赖于十八醇在胶束内部不对称相转化驱动的“尖并尖”融合过程。基于环状模板剂的结构导向作用,通过调节合成条件可以制备不同截面圆直径的碳环。

在前期工作中,陆安慧教授团队围绕纳米碳材料的精准可控合成及其应用开展了大量的研究,发展了特定形貌纳米碳材料的系列合成方法,包括实心碳球(J. Am. Chem. Soc., 2011, 133, 15304–15307)、空心碳球(Angew. Chem. Int. Ed., 2011, 50, 11765 –11768)、多空腔碳球(Adv. Energy Mater., 2017, 7, 1701518)、表面粗糙碳球(Adv. Funct. Mater., 2019, 30, 1906117)、磁性碳胶体(Nano Res., 2016, 9, 1460–1469)、豆荚状纳米碳纤维(J. Power Sources, 2020, 472, 228501)、超薄纳米片(Angew. Chem. Int. Ed., 2018, 57, 1632-1635)、表面粗糙纳米碳片(Angew. Chem., Int. Ed., 2021, 133, 6409-6413)等等。此次建立的环状纳米材料的合成方法,不仅丰富了纳米碳材料的形貌与结构,也为大规模制备金属及金属氧化物纳米环材料提供了新思路。

研究成果以“Selective synthesis of carbon nanorings via asymmetric intramicellar phase-transition induced tip-to-tip assembly”为题,发表在ACS Cent. Sci.ACS综合旗舰期刊)上,文章的第一作者是博士研究生侯璐,通讯作者是陆安慧教授。该研究工作得到国家自然科学基金、国家重点研发计划、辽宁省兴辽英才计划、长江学者奖励计划的大力支持。

文章链接:

https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acscentsci.1c00735

编辑:秦博昱   
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