零維碳納米材料論文范文
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1零維碳納米材料
1.1納米金剛石近年來，納米尺度的金剛石作為新型碳納米材料已經成為研究的熱點之一。納米金剛石具有優異的機械、光學和電學等性能。在場發射、潤滑劑和生物醫學等領域具有應用價值。1961年Decarli等[5]首先用爆炸法制得了超細金剛石粉。目前，納米金剛石的制備方法主要包括爆炸法、激光蒸發法、CVD法、高能離子轟擊法及放電等離子燒結法等。Zhang等[6]使用碳納米管（CNTs）做原料，在1500℃和80MPa的條件下，采用放電等離子燒結法制得了納米金剛石。表征結果表明，制得的金剛石顆粒被一層無定形碳包裹著。Terranova等[7]采用熱絲CVD法，使用平均粒徑為40nm的碳顆粒做碳源，在分散有鐵納米顆粒的硅基底上制得了納米金剛石。表征結果表明，制得的金剛石呈金字塔形，直徑在20~100nm之間。
1.2碳納米洋蔥碳納米洋蔥是1992年Ugarte在顯微鏡中通過強電子束照射碳灰而發現的[9]。碳納米洋蔥的微觀形貌為多層石墨構成的洋蔥狀顆粒，尺寸在納米數量級。迄今為止，人們已經發展了多種制備碳納米洋蔥的方法，如電子束照射法、離子注入法、電弧放電法、碳煙灰的沖擊波處理法及等離子體噴頭上的碳沉積法等。電子束照射法是用具有一定能量的電子束照射含碳原料，使其汽化成碳原子和原子團，然后再重新結合、形成新的碳納米材料的方法。一般情況下，電子束照射法制得的碳納米洋蔥呈球形，對稱性好，形成的殼層在3~10層之間[8]。Sano等[9]采用水中電弧放電法，制得了碳納米洋蔥；表征結果表明，制得的碳納米洋蔥直徑在4~36nm之間，石墨化程度不高，具有較大的表面積（984.3m2/g）。
1.3碳納米籠碳納米籠的結構和形貌多樣，具有優異的理化性質。籠狀結構的碳納米顆粒之間存在空隙，很方便填充金屬顆粒或其它分子，制備成具有特殊性質的納米復合材料。由于范德華力的作用，碳納米顆粒往往團聚嚴重，不易分散，使得其性質和應用研究受到限制。因此，制備分散性好、性質優異的碳納米籠顆粒具有重要的意義。碳納米籠的制備方法包括CVD法、超臨界流體法、模板法、激光蒸發法及溶劑熱法等。Li等[10]在超臨界二氧化碳中，使用二甲苯為原料，在Co/Mo催化劑上沉積制得了碳納米籠。表征結果表明，制得的碳納米籠的表面積和孔體積的大小與反應溫度和壓力有關。在650~750℃之間制得的碳納米籠直徑在10~60nm之間；在650℃和10.34MPa的條件下，制得的碳納米籠的孔體積為5.8cm3/g，表面積為1240m2/g。Wang等[11]使用乙醇和Fe（CO）5為原料，采用模板法，在600~900℃條件下，制得了碳納米籠。研究結果表明，制得的碳納米籠的直徑在30~50nm之間，表面積在400~800m2/g之間；其可以分散在水中，幾個月都不會團聚。
2應用
2.1催化劑載體碳元素以其特有的成鍵形式（sp、sp2和sp3）構成了形貌和結構多樣的納米顆粒材料，這類碳納米材料獨特的結構和奇異的物理化學性質賦予其廣泛的用途。尤其是碳納米籠顆粒，在眾多的應用中作為催化劑載體而成為催化領域的研究熱點之一。Yun等[12]將鉑催化劑負載在中空碳納米球顆粒上，并且催化烯烴加氫反應。結果表明，中空碳納米球顆粒負載催化劑的催化效果要高于活性炭；考察了碳納米顆粒的結構對負載鉑催化劑催化環己烷脫氫反應性能的影響。杜建平等[13]采用爆炸輔助化學氣相沉積法制得了石墨化程度不高，類似球形的碳納米顆粒。考察了其負載鉬催化劑含量對環己烷脫氫反應的催化性能。結果表明，鉬含量對環己烷脫氫催化反應有較大影響。鉬含量15%時，催化性能最佳。
2.2生物醫藥與其它維數的納米材料相比，零維納米材料除了尺寸小之外，更重要的是其具有較大的比表面積，這使得其表面活性也有所增大。碳納米顆粒直徑越小，處于表面的原子比例就越大，反應活性越高，其對生物組織、細胞傷害就越大；直徑越大，其在生物體內的免疫性越強，容易遭到免疫系統的攻擊，從而被器官捕獲和降解。周兆熊等[14]采用高壓均質方法，使用全氟碳納米顆粒荷載藥物地塞米松磷酸鈉或醋酸地塞米松。研究結果表明，荷載地塞米松磷酸鈉和醋酸地塞米松的全氟碳納米顆粒直徑分別為（224±6）和（236±9）nm。荷載地塞米松磷酸鈉和醋酸地塞米松的包封率分別為（66.4±1.0）%和（95.3±1.3）%，首日溶出比率分別為77.2％和23.6％。與不用全氟碳納米顆粒荷載相比，全氟碳納米顆粒荷載順磁性造影劑釓噴酸葡胺可增加信號強16％。因此，全氟碳納米顆粒荷載藥物具有較好的緩釋性，能增加磁共振造影劑的信號強度，從而提高其檢測靈敏性。
2.3磁性材料安玉良等[15]采用控溫還原炭化過程，利用纖維素和硝酸鐵為原料，制得了包裹金屬的碳納米顆粒。表征結果表明，該碳納米顆粒直徑分布在20~90nm之間；具有對電磁波的電損耗和磁損耗效應；電損耗角正切值在1.1~1.2之間，磁損耗角正切值在0.45~0.70之間；電損耗角正切值隨著頻率的增加而增加；這些結果表明碳包覆鐵納米顆粒可以作為較好的電磁材料。陳進等[16]采用電弧放電法制得了包裹銅粒子的碳納米顆粒，考察了該碳納米顆粒的導電性能。結果表明，該碳納米顆粒具有核殼結構，內部為銅粒子核，外部為碳層且石墨化程度較高。該包裹銅粒子的碳納米顆粒的導電性隨著銅含量的增加而增加。當銅含量為80（wt）%時出現突躍。
2.4發光材料熒光碳納米顆粒是一類較為理想的熒光標記和檢測材料。因此，目前制備和研究熒光碳納米顆粒成為一項受到廣泛關注的課題。郭艷等[17]在恒定電壓下，利用鄰苯二甲酸氫鉀、乙二胺四乙酸二鈉、檸檬酸鹽為電解液，采用電化學刻蝕石墨的方法，制得了帶有熒光的碳納米顆粒。與鄰苯二甲酸氫鉀和檸檬酸鹽的電解液相比，同濃度的乙二胺四乙酸二鈉為電解液制得的碳納米顆粒的熒光最強。熒光強度隨某種電解液濃度的減小而降低。研究表明，具有sp2結構的碳簇可能是碳納米顆粒的發光中心。Bourlinos等[18]利用有機物碳化的方法制得了不具有晶體結構的，直徑小于10nm的碳納米顆粒，其可以發出多種可見光，得到了3%的熒光量子產率。
3結語與展望
目前，人們盡管在碳納米顆粒材料制備研究方面取得了很大的成就，但距離真正走到應用領域還有一段距離，存在許多尚未解決的問題。在制備方面，要求提高現有制備水平以及發明新的制備技術，實現零維碳納米材料的形貌可控、可調生長以及廉價的放量制備；在機理研究方面，碳納米洋蔥的生成機理取得了一定的進展，但其它零維碳材料的生成機理還有待于進一步的研究；在實際應用方面，需要進一步研究其應用價值，為該類材料的實際應用提供基礎。隨著人們研究的不斷深入，其制備方法會得到改進和創新，具有新穎結構的碳納米顆粒材料會不斷地問世，進而應用于實踐，潛移默化地改變我們的生活方式。
作者：關磊范文婷王瑩單位：遼寧石油化工大學化學化工與環境學部