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背景介绍
碳材料因其在二氧化碳捕获、催化、气体存储、电极材料等众多领域的优良性能而备受关注。生物质是碳材料的主要来源之一，发展从生物质中获取碳材料的技术是绿色化学的重要研究领域。纳米尺度的碳材料，如碳纳米管、石墨烯、富勒烯和碳量子点等，具有独特的化学性质和广泛的应用前景。例如，石墨型碳点在二氧化碳还原反应中表现出优异的催化活性，纳米金刚石在生物医学、光学和润滑等领域有重要应用。虽然纳米金刚石在许多领域具有重要应用，但传统的合成方法通常需要极端条件，如高压和高温，这使得纳米钻石的制备成本高昂且对环境不友好。其他合成方法，如水热合成、化学气相沉积、激光轰击等，也大多需要苛刻条件。近年来，利用生物质中的木质素和纤维素制备纳米金刚石的研究引起了人们的关注。然而，目前的研究还存在一些问题，如激光写入法制备纳米金刚石时，产物中还含有其他晶态碳形式，且该方法难以大规模生产纳米金刚石。此外，对于木质素向纳米钻石的转化机制还需要进一步探讨，以开发出更有效的制备方法。
基于以上背景，圣安德鲁斯大学Nicholas J. Westwood 教授等人提出了一种从生物质木质素中制备纳米金刚石的便捷方法，该方法在常压下进行，相对低温且无需高压，为纳米金刚石的制备提供了一种新的、环境友好的途径。这一方法的发明将激励未来的研究，旨在通过便捷的途径将生物质转化为有用的碳材料。
图文解读
1、 木质素热解过程分析
FTIR 和 NMR 分析：FTIR 分析表明，在木质素热解过程中，不同温度下特征吸收带发生变化，如 200℃时脂肪族醚官能团减少，300℃时 DMSO 可溶物中无可识别的木质素单元连接，300 - 400℃时芳香环形成增加。NMR 分析进一步支持了这些结构变化。
SEM 和 EDX 分析：热解后的碳材料表面粗糙，呈碎片状、大孔结构，EDX 确认主要成分为碳。
XRD 分析：粉末 X 射线衍射结果表明样品主要为无定形碳，仅观察到两个可能与六边形金刚石结构相关的非常弱的衍射峰。
2、纳米钻石的结构表征
TEM 分析：TEM 图像显示样品中存在许多纳米颗粒，这些纳米颗粒的平均直径小于 5nm，体积分数相对较低，但纳米金刚石的产量并不低。
HRTEM 分析：HRTEM 图像用于研究纳米颗粒的结晶性和晶相。许多较大颗粒是小晶粒的团簇，结晶度低。通过 2D HRTEM 图像确定了纳米颗粒的结晶相包括立方金刚石和六方金刚石（朗斯代尔石）。例如，图 3c 中纳米晶的 d - 间距为 2.06 和 1.79Å，可索引到立方金刚石的（111）和（200）平面，夹角为 55°；图 3d 中另一个立方金刚石颗粒的两个标记条纹的 d - 间距为 2.05Å，可索引到立方金刚石的（111）和（111）平面，夹角为 70°。图 5 中晶体的 d - 间距为 2.18 和 2.06Å，对应平面角为 90°，可索引到朗斯代尔石。
3、纳米钻石的形成机制
中间相：木质素是含芳香环的聚合物，具有复杂的三维网络结构。在热解过程中，可能形成二维缺陷石墨烯状薄片作为中间相。
堆叠方式与相变：芳香环通过面对面（π - π）分子间相互作用堆叠形成石墨状结构。随着样品加热到更高温度，脱芳香化和自由基 - 自由基耦合可能导致新的 C - C 键连接薄片。如图 6d 所示，如果两个部分重叠的芳香环形成新键，会形成立方金刚石结构；如图 6e 所示，如果两个芳香环完全重叠并连接，会形成六方金刚石结构。在高温下，两种过程都可能发生，但立方金刚石的形成更占主导。
缺陷的作用：石墨中的 π 电子在整个石墨烯片上离域以稳定平面形态，而从石墨到钻石的相变需要从芳香环转变为扶手椅状环己烷环。缺陷石墨烯状纳米薄片比石墨更容易变形，因此木质素向钻石的相变需要更温和的条件。
结论与展望
本研究通过木质素热解成功制备了嵌入无定形碳基质中的纳米金刚石，合成方法方便，温度相对较低且无需高压，原料仅为从生物质中提取的木质素，产物仅含碳的同素异形体。基于缺陷石墨烯状薄片以两种不同堆叠模式连接的金刚石形成机制，立方和六方纳米金刚石均可形成。未来工作需要详细研究该方法的广度，包括评估纳米金刚石的产量与起始木质素类型的关系，并确定本工作中制备的纳米金刚石的应用。
本研究为从生物质制备纳米金刚石提供了一种新的途径，具有重要的科学意义和应用前景。未来的研究可以进一步优化实验条件，提高纳米钻石的产量和质量，深入研究其形成机制，拓展其在生物医学、催化、光学等领域的应用。此外，还可以探索其他生物质来源的木质素用于制备纳米金刚石的可能性，以及开发更加绿色、可持续的制备方法。总之，这项研究为纳米金刚石的制备和应用开辟了新的方向，有望推动相关领域的发展。
原文链接：https://doi.org/10.1021/acsnano.4c02950
豫公网安备41010202002335号