高效多功能先進(jìn)新材料的開(kāi)發(fā)是信息、航天、能源化學(xué)等高科技領(lǐng)域取得突破性進(jìn)展的關(guān)鍵。由于不同材料的異質(zhì)性，復(fù)合材料在形成過(guò)程中常常面臨均一性和穩(wěn)定性等問(wèn)題，尤其是在如納米和分子尺度的微觀層面，問(wèn)題變得更為突出。因此，開(kāi)發(fā)有效方法將不同優(yōu)良特性的材料進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，是該領(lǐng)域亟待解決的科學(xué)問(wèn)題。

高性能納米碳材料和超薄二維硅酸鹽材料因其可設(shè)計(jì)性和廣泛的性能調(diào)節(jié)空間在高端材料領(lǐng)域引起了關(guān)注。將這兩類具有截然不同性能的納米材料進(jìn)行可控復(fù)合，無(wú)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(xué)惰性，因此之前的嘗試多是通過(guò)物理復(fù)合的方式將這兩種材料結(jié)合，以獲得具有二者性能的復(fù)合材料。雖然這種方法相對(duì)簡(jiǎn)單，但在微尺度上難以保證均一性和復(fù)合程度，從而限制了其在高端領(lǐng)域的應(yīng)用前景。如何通過(guò)穩(wěn)定的化學(xué)鍵合實(shí)現(xiàn)這兩種材料的化學(xué)復(fù)合，成為解決上述問(wèn)題的關(guān)鍵。近日，中國(guó)科學(xué)院青島生物能源與過(guò)程研究所等研究人員通過(guò)弱制氫反應(yīng)驅(qū)動(dòng)創(chuàng)造性地制備了一類新的碳和硅酸鹽二維超薄復(fù)合材料，并命名為carbosilicate（碳硅酸鹽），相應(yīng)材料在電解水制氫過(guò)程中展示出優(yōu)于商業(yè)IrO_x的效果。通過(guò)協(xié)同作用，三種自身不能持續(xù)發(fā)生的反應(yīng)（鐵與水反應(yīng)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(xù)發(fā)生并化學(xué)鍵合，最終形成新的復(fù)合材料。

為了進(jìn)一步探究反應(yīng)機(jī)理，研究人員以AIMD模擬為主要手段，結(jié)合相應(yīng)靜態(tài)計(jì)算，研究了碳納米管在含鐵離子溶液中的“裂解”機(jī)理。結(jié)果表明鐵離子的存在對(duì)碳納米管的裂解具有重要促進(jìn)作用，特別是在初步碳-碳鍵裂解過(guò)程中，有鐵離子參與的第一個(gè)碳-碳鍵裂解能量（0.06 eV）比沒(méi)有鐵離子參與的裂解能量（3.3 eV）低了5倍。同時(shí)計(jì)算結(jié)果還表明溶液中氧（或氫氧根）的參與對(duì)碳納米管的持續(xù)裂解起到關(guān)鍵作用。這些計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相吻合，為實(shí)驗(yàn)提供了有力驗(yàn)證。

這種新的化學(xué)復(fù)合材料家族，結(jié)合了納米碳和超薄二維硅酸鹽的優(yōu)勢(shì)，兼具二者無(wú)法單獨(dú)提供的特殊性能。同時(shí)，廣泛的可調(diào)節(jié)性和經(jīng)濟(jì)性，為該材料家族的應(yīng)用拓展提供了廣闊空間。這項(xiàng)研究揭示了三種本身無(wú)法持續(xù)發(fā)生的反應(yīng)如何通過(guò)協(xié)同促進(jìn)作用得以持續(xù)進(jìn)行，展示了協(xié)同化學(xué)的新機(jī)制。協(xié)同作用機(jī)制的提出為相關(guān)新材料和新過(guò)程的開(kāi)發(fā)提供了更簡(jiǎn)單的思路和更廣泛的可能性。

相關(guān)成果發(fā)表在《德國(guó)應(yīng)用化學(xué)》上。研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金等的支持。

論文鏈接

碳硅酸鹽可能的“解開(kāi)和連接”合成過(guò)程的示意圖

通過(guò)AIMD模擬計(jì)算反應(yīng)機(jī)理