自從1991年被發(fā)現以來(lái)，碳納米管這種一維形式同素異形體開(kāi)啟了碳材料的新紀元，其性質(zhì)及應用依賴(lài)于其結構參數。雖然碳納米管通過(guò)可控合成可以實(shí)現直徑的精確可調，但是其軸向長(cháng)度的控制卻非常困難。然而碳納米管的長(cháng)度將顯著(zhù)影響其宏觀(guān)性能。例如超長(cháng)碳納米管能夠在宏觀(guān)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(diǎn)，使其在生物藥物、催化和能源存儲方面有著(zhù)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(shí)，相比傳統的微米級長(cháng)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(guò)豐富的邊緣位點(diǎn)提供更多的鋰離子存儲位點(diǎn)。當超短碳納米管的長(cháng)徑比小于1時(shí)，其也可稱(chēng)為碳納米環(huán)或者環(huán)繞石墨烯帶，這是傳統的將長(cháng)碳納米管截短的方法所不能實(shí)現的。

 

最近，北京化工大學(xué)的段雪院士領(lǐng)導的團隊在超短碳納米管的研究上取得了重大進(jìn)展。他們基于長(cháng)期以來(lái)對插層材料的堅實(shí)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L(fǎng)DH層間的甲基丙烯酸甲酯(MMA)為碳源，通過(guò)還原得到的活性金屬Co的催化作用，合成生長(cháng)了長(cháng)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(huán)。這種碳納米環(huán)具有超短的軸向維度以及其開(kāi)放端口帶來(lái)的豐富石墨層邊緣位點(diǎn)，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(shí)在逐步提高電流密度的快速充放電過(guò)程中，該材料仍然具備很高的可逆容量。相關(guān)研究發(fā)表在最近的Advanced Materials上。

 

碳納米環(huán)這種超短碳納米管的成功合成，與LDH這種插層材料有著(zhù)極大的關(guān)聯(lián)。LDH是一類(lèi)具有水鎂石層狀結構的陰離子粘土材料，其中的某些二價(jià)陽(yáng)離子被三價(jià)陽(yáng)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(jìn)行補償，通過(guò)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(jìn)行空間限域，進(jìn)而催化生長(cháng)碳納米環(huán)為超短碳納米管的研究提供了新思路?？梢韵胂蟮氖?，通過(guò)調變LDH中插層陰離子的種類(lèi)以及層間碳源的量，可以獲得一系列有著(zhù)不同長(cháng)度和壁數的碳納米環(huán)，將在能源存儲、生物探針、催化以及納電子學(xué)、納光子學(xué)取得更加廣泛而重要的作用。