室温合成多种碳纳米结构的研究成果在国际期刊Carbon发表

2021-07-07 智能机器人实验室

室温合成多种碳纳米结构的研究成果在国际期刊Carbon发表

智能机器人实验室代德建博士与东南大学合作提出一种碳纳米材料合成方法，利用该方法在常温和常压下合成出石墨烯、石墨烯多面体、碳纳米管、碳纳米洋葱和n-金刚石纳米晶体等多种sp2和sp3碳纳米结构。

近几十年来，碳纳米材料因具有出色的物理和化学性质而引起人们的广泛关注。它们在光电子器件、新能源、净化水、光/电催化和生命科学等领域具有广泛的应用前景。纳米金刚石可用于单光子发射、磁成像、生物荧光标记、药物传输、细胞温度传感和量子信息等；碳纳米管和石墨烯可用于纳电子器件、生物领域、存储以及电极和太阳能电池等；碳纳米洋葱和石墨烯多面体可应用于生物和电子学领域等。因此研究人员对这些sp2和sp3碳纳米结构的合成制备方法做了大量研究。一般情况下，合成这些材料需要高温、高压、弧光放电、激光烧蚀或者化学气相沉积等特殊条件。相比之下，在常温和常压下合成sp2和sp3碳纳米结构具有挑战性，但是有利于促进碳纳米结构的实际应用。

智能机器人实验室代德建和东南大学范吉阳教授课题组合作开发了一种常温常压下合成碳纳米材料的方法，以乙醇和氢氧化钾为反应原料，利用超声进行控制，合成出石墨烯、石墨烯多面体、碳纳米管、碳纳米洋葱和n-金刚石纳米晶体等不同类型的碳纳米材料，并讨论了相应的合成机理。相关结果发表在Carbon (DOI:10.1016/j.carbon.2021.04.038.) 上。

下图是室温合成这些碳纳米结构的过程示意图。该方法以乙醇和氢氧化钾为反应原料；其中乙醇既是溶剂又是碳的原材料。在氢氧化钾的作用下，乙醇分子转化生长成碳纳米结构。在有超声处理的条件下，会长成sp2结构碳纳米材料（石墨烯、石墨烯多面体、碳纳米管、碳纳米洋葱）；没有经过超声处理，则会生长出sp3结构的n-金刚石纳米晶体。所以超声成为控制sp2或sp3碳纳米结构结晶的关键因素。该方法在常温常压下合成，对环境无害，并且合成出的碳纳米结构结晶良好。这些结果提高了对碳纳米晶体生长过程的认识。