纳米材料

新纳米多孔材料疏通反应“拥堵”

据报道，近日，美国休斯顿大学的研究人员发明了一种全新多孔催化剂，通过允许分子跳过限制反应的“拥堵”，从而加速化学反应。

沸石是一种孔隙小于1nm的铝硅酸盐，作为固体催化剂应用于工业生产中，用于生产汽油和有附加值的化学品等。沸石孔内的化学反应首先要求分子找到催化剂颗粒外表面的少量开口，这就要求分子必须排队进入粒子，扩散到参与化学反应的活性部位，然后离开粒子。

这项突破主要集中在降低分子进入催化剂内部孔隙的障碍上。研究人员开发了一种方法来诱发更大的催化剂粒子像纳米粒子那样，让分子进入引发反应迅速并退出。研究人员在催化剂颗粒的表面生成了凸起或鳍片，粗糙的颗粒外表面的表面积显著增加，使分子更容易进入，并减少了传统沸石材料经常出现的运输限制。该新合成方法专注于控制沸石结晶的方式，使鳍状结构的生长成为可能。这种新型材料不需要直接合成纳米颗粒，为沸石催化剂的设计创造了一个新的范例。（中国化工报）

碳纳米管耐疲劳性能研究方面取得重大突破

据报道，近日，清华大学化工系魏飞教授和张如范副教授团队在碳纳米管耐疲劳性能研究方面取得重大突破，首次以实验形式测试了厘米级长度单根碳纳米管的超耐疲劳性能。相关成果以“超耐久性的超长碳纳米管”为题，于8月28日在线发表于国际顶级学术期刊《科学》上。

超强超韧和超耐疲劳性能的材料，在航空航天、军事装备、防弹衣、大型桥梁、运动器材、人造肌肉等众多领域都面临巨大的需求。碳纳米管是典型的一维纳米材料，也是目前已知的力学强度最高和韧性最好的材料，其宏观强度和韧性均比目前广泛使用的碳纤维和芳纶等材料高出一个数量级以上。然而，由于其小尺寸特性以及难以被测试的特点，单根碳纳米管的疲劳行为以及疲劳破坏机制研究是该领域长期未能搞清楚的重大难题。

为开展单根厘米级长度碳纳米管的疲劳力学行为测试，研究团队设计搭建了一个非接触式声学共振测试系统。与基于电子显微镜的纳米材料测试系统相比，ART系统具有多方面优势，该系统不仅避免了电子束导致的样品损伤，也使得厘米长度的一维纳米材料的疲劳测试成为可能，同时还解决了小尺寸样品夹持以及高周次循环载荷的施加问题。

该研究发现，碳纳米管展现出惊人的超耐疲劳特性。在大应变循环拉伸测试条件下，单根碳纳米管可以被连续拉伸上亿次而不发生断裂，并且在去掉载荷后，其依然能保持初始的超高抗拉强度，耐疲劳性优于目前所有工程纤维材料。与一般传统材料的疲劳损伤累积机制不同，其疲劳破坏呈现出整体破坏性，不存在损伤累积过程，初始缺陷的生成对碳纳米管的疲劳寿命起主导作用。此外，其耐疲劳性受到温度影响，表现出随着温度升高而下降的特点。这项工作揭示了超长碳纳米管用于制造超强超耐疲劳纤维的光明前景，同时为碳纳米管在许多领域应用的寿命设计提供了重要的参考依据。（北京日报）

上海微系统所等制备出手性可控的石墨烯纳米带

据报道，近日，中国科学院上海微系统与信息技术研究所研究员王浩敏团队首次在六角氮化硼（h-BN）表面制备出手性可控的石墨烯纳米带（GNR）并进行输运性质研究。相关研究成果在线发表在《自然·材料》上。

h-BN是一种具有优异化学和热稳定性的宽带隙二维材料，其具有六角蜂窝网状晶体结构和原子级平整的表面，不存在表面悬挂键和陷阱电荷，是可保持GNR本征电学性质的理想衬底。

此前，王浩敏团队通过引入硅烷进行气相催化，在h-BN表面实现石墨烯晶畴的快速生长和边界调控；首次通过采用h-BN沟槽作为生长模板，实现取向GNR的可控生长，开启带隙。上述研究为在h-BN衬底上制备亚5纳米宽的手性可控的GNR奠定实验基础。

研究人员利用不同金属纳米颗粒在h-BN表面刻蚀出边缘平直且沿特定取向（ZZ和AC）的具有单原子层厚度的沟槽，通过化学气相沉积法在沟槽中制备出宽度小于5纳米的高质量取向可控GNR。研究人员与维也纳大学教授Jannik Meyer课题组合作，借助扫描透射电子显微镜，揭示石墨烯和h-BN边界处的面内外延生长方式，制备得到的GNR边缘原子级平整。进一步的电输运测量结果表明，所有亚5纳米宽度的ZGNR均显示出大于0.4eV的带隙，而窄的AGNR的带隙随宽度变化较大。该研究首次将手性可控的GNR面内集成在h-BN晶格中，是面向开发具有原子层厚度的高性能集成电路迈出的重要一步，为实现操控和堆垛具有极薄厚度的复杂纳米集成电路提供新途径。（中国科学院上海微系统与信息技术研究所）

复旦大学成功设计纳米“人造分子”简易制备方法

据报道，复旦大学高分子科学系、聚合物分子工程国家重点实验室教授聂志鸿团队成功设计纳米“人造分子”简易制备方法，相关研究成果近日发表于《科学》。

分子是参与生命与物质世界演化的最基本单元，由原子按照特定方式结合而成。那么，能否模仿从原子到分子的键合过程，创造出由无机纳米粒子定向键合而成的“人造分子”，并利用其呈现出的各种独特物理性质，为传感、催化、超材料和光电器件等领域开辟更广阔的应用前景

聂志鸿团队为制备纳米“人造分子”找到了一则简易方法——通过设计聚合物配体间的简单化学反应，实现对纳米“人造分子”组装构筑和物理性能的调控。

传统制备方法的原理是在纳米粒子上定点修饰一段DNA分子，利用DNA分子之间的互补相互作用，实现对不同纳米粒子结合的调控。“这好比在一个圆球上刻下卡槽或者粘上木条，不同的‘积木就能拼合在一起了。”聂志鸿说。然而，在直径为纳米量级的“圆球”上“微雕”难度极大。聂志鸿团队开创性地提出聚合物诱导纳米粒子定向键合形成纳米尺度“人造分子”的原创概念。研究人员在纳米粒子上刷一层聚合物“涂层”，让特定的聚合物配体布满其表面。相比定点修饰DNA，这一步骤的难度降低不少。此时，纳米粒子依然是一个各处性质均相同的“圆球”。接下来，当2个刷有不同聚合物“涂层”的纳米粒子相互靠近，不同的聚合物配体之间就会按照研究者的设计发生反应，聚合物的链构象与电荷排布随之产生变化，整个“圆球”不再是各向同性，而是获得了沿特定方向结合的趋势。（中国科学报）

大連化物所研发出单原子修饰的纳米反应器

据报道，近日，中国科学院大连化学物理研究所催化基础国家重点实验室二维材料化学与能源应用研究组研究员吴忠帅团队与有机-无机杂化材料研究组研究员杨启华团队合作，发展出一种单原子锌修饰的中空碳球纳米反应器。该反应器可同时用作锂硫电池正极、负极的基体，提高对多硫化物的催化活性并抑制锂负极枝晶的生长，应用该反应器的高比能锂硫全电池具有高载量、高倍率、长循环的性质。

锂硫电池具有较高理论能量密度（2 600Wh/kg）和比容量（1 675mAh/g），被认为是具有潜力的下一代高能量密度的电化学储能技术。但正极多硫化物的穿梭效应、转化动力学缓慢、负极的锂枝晶生长等导致锂硫电池的容量较低、安全性能不高、循环稳定性差，这限制了其商业化发展。因此，设计一种轻质量、高导电、高催化活性、优异亲锂位点、高机械强度的载体材料，同时能抑制多硫化物穿梭和金属锂枝晶的锂硫全电池，是目前突破锂硫电池应用瓶颈的一种有效方法。

该研究针对锂硫电池存在的问题和遭遇的关键技术瓶颈，结合吴忠帅团队在高性能锂硫电池体系和杨启华团队在高效纳米反应器催化体系的研究，发展出原子尺度的、单原子锌修饰的中空碳壳纳米反应器。该反应器具有较高的比表面积、多级的孔结构、良好的亲锂金属表面、优异的催化活性。将其同时应用于锂硫电池的正极和负极，提升了正极对多硫化物的吸附催化转化能力，抑制了负极的锂枝晶生长。该电池在700圈长循环条件下，容量衰减率仅0.015%；在高电流密度条件下，仍有989mAh/g的比容量。此种中空碳壳纳米反应器的设计策略，为基于转化反应的锂硫电池等高能密度能源器件的设计提供参考。（中国科学院大连化学物理研究所）