From Biomass to Functional Crystalline Diamond Nanothread: Pressure-Induced Polymerization of 2,5-Furandicarboxylic Acid

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作者
Xuan Wang,Xin Yang,Yida Wang,Xingyu Tang,Haiyan Zheng,Peijie Zhang,Dexiang Gao,Guangwei Che,Zijia Wang,Aijiao Guan,Junfeng Xiang,Mingxue Tang,Xiao Dong,Kuo Li,Ho‐kwang Mao
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:144 (48): 21837-21842 被引量:19
标识
DOI:10.1021/jacs.2c08914
摘要

2,5-Furandicarboxylic acid (FDCA) is one of the top-12 value-added chemicals from sugar. Besides the wide application in chemical industry, here we found that solid FDCA polymerized to form an atomic-scale ordered sp3-carbon nanothread (CNTh) upon compression. With the help of perfectly aligned π-π stacked molecules and strong intermolecular hydrogen bonds, crystalline poly-FDCA CNTh with uniform syn-configuration was obtained above 11 GPa, with the crystal structure determined by Rietveld refinement of the X-ray diffraction (XRD). The in situ XRD and theoretical simulation results show that the FDCA experienced continuous [4 + 2] Diels-Alder reactions along the stacking direction at the threshold C···C distance of ∼2.8 Å. Benefiting from the abundant carbonyl groups, the poly-FDCA shows a high specific capacity of 375 mAh g-1 as an anode material of a lithium battery with excellent Coulombic efficiency and rate performance. This is the first time a three-dimensional crystalline CNTh is obtained, and we demonstrated it is the hydrogen bonds that lead to the formation of the crystalline material with a unique configuration. It also provides a new method to move biomass compounds toward advanced functional carbon materials.

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