伦敦时间年9月23日，年度“引文桂冠奖”发布，因在碳和氮化硼纳米管的制造和新奇应用领域的贡献，美国斯坦福大学戴宏杰教授和美国加州大学伯克利分校AlexZettl教授获奖。碳纳米管（CNT）作为一维纳米材料，具有独特的力学、电学和物化性质，近年来在储能电池导电剂、透明导电薄膜、集成电路等领域中广泛应用。氮化硼纳米管（BNNT）与碳纳米管具有类似的结构，年由乔普拉?N.G.（ChopraN.G.）等人在实验中发现。与碳纳米管相比，氮化硼纳米管对热中子的吸收能力比碳纳米管高,倍，显示出更好的热稳定性和化学稳定性。笔者整理了近年来碳纳米管和氮化硼纳米管领域的重要突破进展，包括生长、表征和应用等，并尽量选取高水平期刊的最新报道。一、生长与表征1.澳大利亚纽卡斯尔大学JACS：催化化学气相沉积过程中氮化硼纳米管的网络融合成核尽管氮化硼纳米管在20世纪90年代首次被合成，但它们的成核机制仍然未知。澳大利亚纽卡斯尔大学AlisterJ.Page团队通过非平衡分子动力学模拟，显示了在镍催化的氨硼烷化学气相沉积过程中氮化硼纳米管帽结构是如何形成的。氮化硼六角环网络是由化学气相沉积原料中H2的催化演化、硼-氮链结构的形成和聚合，以及催化剂表面对同元素硼/氮键的重复裂解而产生的。然后，通过相邻氮化硼网络的直接融合，形成垂直于催化剂表面的无缺陷氮化硼帽结构。这种氮化硼纳米管网络融合机制明显不同于了化学气相沉积过程中碳纳米管成核的既定机制，并解释了为什么化学气相沉积合成的硼氮纳米管比化学气相沉积合成的碳纳米管具有更尖锐的尖端和更宽的直径。图1氮化硼纳米管的网络融合成核文献链接：BoronNitrideNanotubeNucleationviaNetworkFusionduringCatalyticChemicalVaporDepositionJ.Am.Chem.Soc.,,
.2.法国艾克斯-马赛大学Science：手性单壁碳纳米管的熵驱动稳定性单壁碳纳米管是中空的圆柱体，通过在与催化剂的界面碳结合，可以长到几厘米长。它们显示出半导体或金属特性，取决于它们的螺旋度，这是在它们的生长过程中决定的。为了探索碳纳米管的选择性合成，法国艾克斯-马赛大学ChristopheBichara团队提出了一个热力学模型，该模型将管-催化剂界面能、温度和所得的管手性联系起来。研究证明，手性来源于纳米管边界的熵驱动，从而解释了实验观察到的手性分布的温度变化。通过界面能将催化剂的化学性质考虑在内，作者得到了结构图和相图，它们将指导合理选择催化剂和生长参数以获得更好的选择性。图2从实验到模型示意图。文献链接：Entropy-drivenstabilityofchiralsingle-walledcarbonnanotubesScience,,:–.二、光电器件领域1.北京大学、湘潭大学Science：用于高性能电子器件的顺排、高密度半导体碳纳米管阵列单壁碳纳米管（CNTs）可以制造小于10nm的集成电路，但这需要在晶片上可扩展地生产致密的纯电子半导体纳米管阵列。北京大学、湘潭大学彭练矛、张志勇团队开发了一种多重分散和分选工艺，可获得极高的半导体纯度和尺寸受限的自对准程序，用于在10cm的硅片上制备，具有至个碳纳米管/微米、可调密度的、良好对准的碳纳米管阵列。在碳纳米管阵列上制造的顶栅场效应晶体管(FETs)显示出比具有相似栅极长度的商用硅金属氧化物半导体FETs更好的性能，特别是在1V电压下1.3mA/μm的导通状态电流和0.9mSμm-1的的记录跨导，同时使用离子液体栅极，保持低于90mV/10年的低室温亚阈值摆幅。批量制造的顶栅五级环形振荡器显示出8GHz的最高、最大振荡频率。图3基于碳纳米管场效应晶体管的数字集成电路技术的晶体管结构和材料目标。文献链接：Aligned,high-densitysemiconductingcarbonnanotubearraysforhigh-performanceelectronicsScience,,():-.2.韩国庆熙大学ACSEnergyLett.：氮化硼纳米管基接触起电辅助压电纳米发电机近年来，研究领域对鲁棒机器人传感器领域的兴趣激增。因此，韩国庆熙大学DaewonKim制造了一种机械坚固的、基于氮化硼纳米管(BNNT)的接触起电辅助压电纳米发电机，并通过摩擦电纳米发电机，测试了其作为机器人传感器的适用性。在纳米发电机的两个铜电极层之间掺入碳纳米管，可以观察到很高的电输出。在0.5%氮化硼纳米管和0.1%碳纳米管混合的最佳浓度下，开路电压为43.5V，短路电流为nA。此外，能带图和电压-力关系用于分析压电输出。作者使用三维打印手指作为实例，证明了在运动传感器中成功使用该器件的潜力。图4氮化硼纳米管基接触起电辅助压电纳米发电机的结构和复合层的分析。文献链接：BoronNitrideNanotube-BasedContactElectrification-AssistedPiezoelectricNanogeneratorasaKinematicSensorforDetectingtheFlexion?ExtensionMotionofaRobotFingerACSEnergyLett.,5,?.3.澳大利亚迪肯大学大学EnSM：锂电池用氮化硼纳米管修饰隔膜锂离子电池的安全性是当前威胁大规模储能应用和移动设备日常使用的一个严重问题。锂电池的安全失效是由高温大电流环境下的短路引起的。由于隔膜是防止短路的主要部件，因此隔膜的热稳定性至关重要。澳大利亚迪肯大学大学YingChen、MdMokhlesurRahman和北方民族大学ChunpingHou合作，首次合成了氮化硼纳米管，并将其作为一种新型高性能无机纳米材料用于防止短路。作者提供了一种改进传统隔膜的新策略，通过简单地引入适当设计的长而细的氮化硼纳米管，而不堵塞锂离子扩散的隔膜通道。这种新的氮化硼纳米管隔膜显示出高的热稳定性高达℃，保证了锂离子电池在高温下的安全运行。由于在循环过程中吸收额外的热量，并通过氮化硼纳米管扩散热量，电池的高倍率性能也得到显著提高。氮化硼纳米管展示了一种令人兴奋的新型纳米材料，通过抑制高温和大电流操作下的热收缩，来提高聚烯烃隔膜的热稳定性，最终防止电池短路。图5氮化硼纳米管修饰隔膜制备过程。文献链接：Hightemperatureandhighratelithium-ionbatterieswithboronnitridenanotubescoatedpolypropyleneseparatorsEnergyStorageMaterials,,19:-.4.伊利诺伊大学香槟分校、美国国家航空航天局兰利研究中心Adv.Mater.：氮化硼纳米管/PDMS的可调压电性氮化硼纳米管均匀分散在可拉伸材料中，如聚二甲基硅氧烷(PDMS)，可以制备下一代具有增强的机械、热和压电特性的复合材料。利诺伊大学香槟分校SungWooNam、美国国家航空航天局兰利研究中心CheolPark合作，报道了多功能氮化硼纳米管/PDMS可拉伸复合材料的可调压电性，该复合材料是通过在四氢呋喃(THF)共溶剂中，使用PDMS分散BNNT而制备的，同时避免了超声处理或功能化。所得的可拉伸氮化硼纳米管/PDMS复合材料显示出增加的杨氏模量(9wt%氮化硼纳米管时增加%)和热导率(9wt%氮化硼纳米管时增加%)，而不损失拉伸性。此外，氮化硼纳米管/PDMS复合材料表现出与BNNT质量分数成线性比例的压电响应，在氮化硼纳米管9wt%时，获得18pmV-1的压电常数(
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)，这与商用压电聚合物比是有竞争力的。独特的是，氮化硼纳米管/PDMS通过排列氮化硼纳米管，实现高达60%的拉伸应变，而没有塑性变形，这将复合材料的压电响应提高了大约五倍。最后，利用复合材料的可拉伸性和压电性的组合来制造对低频(约1kHZ)激励敏感的振动传感器。这是首次实现多功能、可拉伸的氮化硼纳米管/PDMS复合材料的制备，该复合材料具有增强的机械强度和热导率，并且通过改变氮化硼纳米管的质量分数和施加的应变可进一步调节压电响应，从而实现在软致动器和振动传感器中的应用。图6氮化硼纳米管和PDMS的复合物。文献链接：TunablePiezoelectricityofMultifunctionalBoronNitrideNanotube/Poly(dimethylsiloxane)StretchableCompositesAdvancedMaterials,:4607.三、催化领域1.日本东京大学Science：手性路易斯酸与单壁碳纳米管结合用于水中不对称催化高活性和立体选择性催化体系的开发，不仅需要改进现有的合成方法，还需要发明独特的化学反应。基于此，日本东京大学ShūKobayashi团队经研究发现，镍基路易斯酸-表面活性剂组合催化剂和单壁碳纳米管的均质组合，显示出在水中的显著活性。除了增强反应活性，立体选择性性能和长期稳定性在乙醛肟的不对称共轭加成反应中得到证明，以高产率和优异的选择性提供手性硝酮。在水中，所设计的催化剂的实际和直接应用为获得光学活性化合物提供了便捷、环境友好和高效的途径。图7乙醛肟的不对称1，4-加成及催化剂设计。文献链接：ChiralLewisacidsintegratedwithsingle-walledcarbonnanotubesforasymmetriccatalysisinwaterScience,,:-.2.韩国忠南大学Ind.Eng.Chem.Res.：负载Pd和Pt纳米粒子的氮化硼纳米管对CO的催化氧化韩国忠南大学、韩国原子能研究院JaewooKim和美国州立纽约州立大学石溪分校TaejinKim合作，探索了负载在氮化硼纳米管上的Pd和Pt纳米粒子的简易合成方法。还原剂和无稳定剂的合成仅依赖于在氮化硼纳米管存在下对含水Pd2+和Pt4+前驱体的超声处理。通过透射电镜和X光衍射观察到，纳米Pd和Pt颗粒在氮化硼纳米管表面的还原。用电感耦合等离子体原子发射光谱法对附着在氮化硼纳米管表面的Pd和Pt进行了定量分析。结果表明，通过改变金属前驱体的初始浓度和超声处理时间，可以控制氮化硼纳米管上金属纳米粒子的浓度。通过在空气中升高温度至℃和在真空中升高温度至℃来观察纳米颗粒在氮化硼纳米管表面上的形态演变，发现纳米粒子在高达℃的温度下对两种情况都是热稳定的。在低至℃和℃的温度下，合成的Pd-氮化硼纳米管和Pt-氮化硼纳米管的一氧化碳催化氧化效率分别高于98%。图8负载Pd纳米粒子的氮化硼纳米管，及一氧化碳氧化的运行时间结果。文献链接：SynthesisofBoronNitrideNanotubesIncorporatedwithPdandPtNanoparticlesforCatalyticOxidationofCarbonMonoxideInd.Eng.Chem.Res.,,58：?.3.南方科技大学、俄勒冈州立大学NatureEnergy：碳纳米管上分散酞菁镍选择性还原CO2电化学还原CO2是一种很有前途的燃料可持续生产途径，但存在的巨大挑战是开发低成本和高效的电催化剂，以实现高产品选择性的快速转化。在此，南方科技大学YongyeLiang、Yang-GangWang和俄勒冈州立大学ZhenxingFeng合作，设计了一系列负载在碳纳米管上的酞菁镍分子作为分子分散电催化剂，实现了在稳定性、活性和选择性方面优于团聚分子催化剂的CO2还原性能。基于甲氧基官能化，优化的分子分散电催化剂解决了原始酞菁镍催化剂的稳定性问题，并在气体扩散电极装置中，在高达-mAcm-2的高电流密度下，以99.5%的选择性催化CO2转化为一氧化碳，且可在-mAcm-2下稳定运行40h。从原位X光吸收光谱和理论计算出发，有助于对分子分散电催化剂的明确活性位点进行理解。图9酞菁镍分子分散电催化剂的结构和CO2还原表现。文献链接：MolecularengineeringofdispersednickelphthalocyaninesoncarbonnanotubesforselectiveCO2reductionNatureEnergy,,5:-.四、热传导领域1.中科院深圳先进技术研究院ACSNano：氮化硼纳米管和纤维素复合制备高导热材料随着现代电子技术向小型化、高度集成化和多功能化方向发展，大量热量积累，导致现代电子设备热故障，甚至爆炸。因此，材料的热导率在现代电子学中引起了广泛的
