从生物质到功能性结晶金刚石纳米线

由Drs.领导的一组科学家进行的新研究。高压科学与技术高级研究中心(HPSTAR)的KuoLi和HaiyanZheng报告了首次从生物质前体2,5-呋喃二甲酸(FDCA)合成三维结晶碳纳米线(CNThs)，通过[4+2]Diels-Alder反应。

结晶CNTh作为锂电池的负极材料表现出优异的电化学性能。

这项工作发表在美国化学学会杂志上。

碳纳米线(CNTh)是一种一维金刚石材料，具有高拉伸强度和弯曲模量。2015年，科学家首次通过苯的压力诱导聚合合成了CNTh。后来，以各种芳香族分子为出发点，合成了一系列CNThs。然而，如何改进线程内和线程间的原子排序是CNTh长期存在的问题。

FDCA是糖类12大附加值化学品之一，在化工行业应用广泛。“与苯相比，它可能的键合路径更少，这将有助于提高CNThs的均匀性。此外，其结构中对齐的π-π堆叠和分子间氢键对于获得结晶金刚石纳米线也至关重要。因此，2,5-呋喃二甲酸是CNTh更好的前体材料，”KuoLi博士说。

在这项工作中，科学家们通过将FDCA压缩至约12GPa，合成了具有均匀顺式构型(所有氧都在一侧)的原子有序结晶CNTh。凭借产品中特殊的长程有序性，他们直接从X射线衍射确定了精确的晶体结构，与之前报道的CNThs形成了明显的对比。

组合光谱和理论模拟表明，FDCA沿堆叠方向经历了连续的[4+2]Diels-Alder反应，形成CNTh。得益于丰富的羰基，聚FDCACNTh作为锂电池负极材料具有高比容量、优异的库仑效率和倍率性能。

“~12GPa的反应压力相对较低，”该研究的第一作者王璇博士说。“这是首次使用生物质化合物合成金刚石碳纳米线材料。我们相信我们的研究将为合成先进功能碳材料提供一条新途径，”郑海燕博士补充道。