金剛石納米線是一種一維的金剛石基納米碳材料，具有與碳納米管相媲美的強(qiáng)度，但其應(yīng)用一直受限于產(chǎn)物結(jié)構(gòu)的無序性。近日，北京高壓科學(xué)研究中心研究人員以生物基平臺化合物脫水粘酸（2,5-呋喃二甲酸）作為反應(yīng)單體，首次在高溫高壓條件下合成了具有原子級有序結(jié)構(gòu)的金剛石納米線，并發(fā)現(xiàn)其可用作鋰離子電池材料。該研究為生物質(zhì)的加工利用提供了新思路。
       相關(guān)研究結(jié)果11月18日發(fā)表于《美國化學(xué)會志》。
       金剛石納米線是一類具有類金剛石成鍵方式的一維碳材料。該材料結(jié)合了金剛石結(jié)構(gòu)的高強(qiáng)度及聚合物的柔韌性特點(diǎn)，在高熱導(dǎo)材料、儲能裝置等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用前景。該材料于2015年由苯分子在20萬大氣壓的聚合反應(yīng)中首次制備得到。然而長期以來，合成樣品的有序性較差，限制了進(jìn)一步的研究及實(shí)際應(yīng)用。科學(xué)家通過化學(xué)摻雜、擴(kuò)展分子的共軛程度等途徑減少副反應(yīng)、控制分子的有效堆積，從而提高產(chǎn)物有序性，但如何制備原子級有序排列的金剛石納米線材料仍然是阻礙該材料發(fā)展應(yīng)用的一大瓶頸。
       北京高壓科學(xué)研究中心李闊、鄭海燕課題組一直專注于原子級有序碳材料的設(shè)計(jì)與合成。前期曾借助三嗪分子的反應(yīng)選擇性和堆積有序性得到了線內(nèi)和取向有序的碳氮金剛石納米線。在新的研究中，他們以2,5-呋喃二甲酸為原料，在高壓下制備得到了三維原子級有序的全同金剛石納米線，即同一條納米線上的氧原子全部朝向同一側(cè)。
       作為來自生物質(zhì)的呋喃衍生物，2,5-呋喃二甲酸是用于建立未來綠色化學(xué)工業(yè)的12種平臺化合物之一，常用于生產(chǎn)可降解塑料、不飽和樹脂等。該研究團(tuán)隊(duì)綜合使用高壓原位X射線衍射、紅外光譜和理論模擬，確定了在高壓下得到的聚呋喃二甲酸是具有雙羧基取代、全順式堆積構(gòu)型的金剛石納米線。在高壓下，2，5-呋喃二甲酸主要發(fā)生的是狄爾斯阿爾德(Diels-Alder）反應(yīng)，氫鍵在維持反應(yīng)有序性和產(chǎn)物晶態(tài)方面起著關(guān)鍵作用。通過綜合調(diào)控實(shí)驗(yàn)壓力、溫度和時(shí)間等條件，研究人員發(fā)現(xiàn)，制備該聚合物材料的最佳反應(yīng)條件為350°C、12萬大氣壓。
       “該反應(yīng)條件壓力適中，非常有利于較大規(guī)模合成。”文章第一作者、北京高壓科學(xué)研究中心博士生王萱指出。此外，他們發(fā)現(xiàn)由于sp3-碳納米線骨架的化學(xué)穩(wěn)定性和高羧基含量，聚呋喃二甲酸用作鋰電池電極材料具有較高的可逆比容量和出色的循環(huán)穩(wěn)定性，因此可以作為潛在的鋰離子電池電極材料。該工作也為生物質(zhì)的加工利用提供了新的思路。
       相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1021/jacs.2c08914