科學家揭示納米碳和超薄二維硅酸鹽復合新機制

高效多功能先進新材料的開發是信息、航天、能源化學等高科技領域取得突破性進展的關鍵。由于不同材料的異質性，復合材料在形成過程中常常面臨均一性和穩定性等問題，尤其是在如納米和分子尺度的微觀層面，問題變得更為突出。因此，開發有效方法將不同優良特性的材料進行有機結合，是該領域亟待解決的科學問題。

　　高性能納米碳材料和超薄二維硅酸鹽材料因其可設計性和廣泛的性能調節空間在高端材料領域引起了關注。將這兩類具有截然不同性能的納米材料進行可控復合，無疑是拓展新材料以獲得新性能的有效途徑。碳材料存在化學惰性，因此之前的嘗試多是通過物理復合的方式將這兩種材料結合，以獲得具有二者性能的復合材料。雖然這種方法相對簡單，但在微尺度上難以保證均一性和復合程度，從而限制了其在高端領域的應用前景。如何通過穩定的化學鍵合實現這兩種材料的化學復合，成為解決上述問題的關鍵。近日，中國科學院青島生物能源與過程研究所等研究人員通過弱制氫反應驅動創造性地制備了一類新的碳和硅酸鹽二維超薄復合材料，并命名為carbosilicate（碳硅酸鹽），相應材料在電解水制氫過程中展示出優于商業IrO_x的效果。通過協同作用，三種自身不能持續發生的反應（鐵與水反應制氫，碳管形成石墨烯帶，塊體氧化硅分解重排形成二維硅酸鹽層）在溫和的水熱條件下持續發生并化學鍵合，最終形成新的復合材料。

碳硅酸鹽可能的“解開和連接”合成過程的示意圖

為了進一步探究反應機理，研究人員以AIMD模擬為主要手段，結合相應靜態計算，研究了碳納米管在含鐵離子溶液中的“裂解”機理。結果表明鐵離子的存在對碳納米管的裂解具有重要促進作用，特別是在初步碳-碳鍵裂解過程中，有鐵離子參與的第一個碳-碳鍵裂解能量（0.06 eV）比沒有鐵離子參與的裂解能量（3.3 eV）低了5倍。同時計算結果還表明溶液中氧（或氫氧根）的參與對碳納米管的持續裂解起到關鍵作用。這些計算結果與實驗結果相吻合，為實驗提供了有力驗證。

這種新的化學復合材料家族，結合了納米碳和超薄二維硅酸鹽的優勢，兼具二者無法單獨提供的特殊性能。同時，廣泛的可調節性和經濟性，為該材料家族的應用拓展提供了廣闊空間。這項研究揭示了三種本身無法持續發生的反應如何通過協同促進作用得以持續進行，展示了協同化學的新機制。協同作用機制的提出為相關新材料和新過程的開發提供了更簡單的思路和更廣泛的可能性。