（材料学专业论文）一维富勒烯c60纳米材料的制备及其生长机理研究.pdf

一维富勒烯c 纳米材料的制备及其生长机理研究 摘要 富勒烯新材料具有许多不寻常的特性 在现代科技领域中存在着潜在的应用 前景 例如在太阳能电池 光导 分子电子器件 药物以及催化剂等方面 目前 随着富勒烯新材料研究的不断发展 基于富勒烯纳米结构材料的研究在新材料领 域中引起了广泛关注 特别是富勒烯c 6 0 是否能够在一定条件下形成新的聚集态 结构 能否可控生长形成稳定形状的 管 线 为国际上材料科学家所关注 富勒烯c 6 0 纳米管和纳米线均具有共轭7 c 电子结构 既保持了富勒烯c 6 0 分子的 结构和性质 作为新的聚集态结构又具有准一维纳米材料的特点 本论文的主要 工作是利用胶体沉淀法等制备一维富勒烯c 6 0 纳米材料 成功制备了多种不同形 貌的富勒烯c 6 0 纳米材料 对它们的结构和组成进行了表征 探讨了富勒烯c 6 0 纳米管的光学各向异性 热稳定性 电化学性能和磁性能等 并讨论了一维富勒 烯c 6 0 纳米材料的生长机理 论文主要内容如下 l 首次利用胶体沉淀法成功的制备了c 6 0 纳米管 通过p o m s e m t e m a f m 等测试手段对c 6 0 纳米管进行了形貌和结构表征 结果表明 按照c 6 0 纳米管 中中空结构的位置 可以分为管壁对称型c 6 0 纳米管和非对称型c 6 0 纳米管两种结 构 c 6 0 纳米管的直径在3 0 0 5 0 0 n m 之间 最小的直径大约在1 5 0 n m 长度大约为 几十到几百微米 具有高的长径比 s e a d 和x r d 结果表明 c 6 0 纳米管的管壁是 由单晶结构的c 6 0 所构成的 同时c 6 0 纳米管的生长方向是沿c 6 0 晶体的 1 1 0 面生 长 通过r a m a n i r 谱图表明 所制备的c 6 0 纳米管不含有任何溶剂 是由纯c 6 0 分子组成 2 考察了不同的制备条件对c 6 0 纳米管生长的影响 结果表明 光照促进了 吡啶 c 6 0 之间的络合反应 能够促进c 6 0 纳米管的生长 用蓝 绿光照射的c 6 0 一 吡啶饱和溶液较容易培养出c 6 0 纳米管 管的含量较高 同时生成的c 6 0 纳米管 外壁较光滑 超声波的照射也可以加速吡啶 c 6 0 的络合 从而缩短c 6 0 纳米管的 生成时间 本工作首次利用超声波裁剪技术 制得了长径比从3 到1 0 0 0 范围的 一系列c 6 0 纳米管 3 对c 6 0 纳米管的性能进行了测试 结果表明 c 6 0 纳米管具有光学各向异 性 c 6 0 纳米管在磁场中能够图案化 分别在空气和氮气气氛下对c 6 0 纳米管的热 稳定性进行了测试 c 6 0 纳米管在氮气气氛中更稳定一些 对c 6 0 纳米管的电化学 性能进行了测试 c 6 0 纳米管的伏安曲线上没有出现氧化峰 意味着本实验条件 下还原了的c 6 0 纳米管不能被电氧化 一维结构和分子堆积状态的差异 从而导 致c 6 0 纳米管的电子结构与富勒烯c 6 0 分子的电子结构不同 4 对c 6 0 纳米管和c 6 0 纳米纤维的拉曼谱图和热稳定性进行了比较 拉曼光 谱结果表明 溶液状态下的c 6 0 纳米管和c 6 0 纳米纤维的拉曼光谱很相近 在同 样激光条件的照射下 干燥的c 6 0 纳米管比c 6 0 纳米纤维更容易石墨化 更容易 发生光聚合 可以利用拉曼光谱来区分干燥的c 6 0 纳米管和c 6 0 纳米纤维 分别 在空气和氮气气氛下对c 6 0 粉末 c 6 0 纳米管和纳米纤维的热稳定性进行了研究 在空气气氛下c 6 0 纳米管 c 6 0 粉末和c 6 0 纳米纤维的初始分解温度分别约为1 5 0 3 2 0 和4 9 0 它们的热稳定性依次增大 这是由于c 6 0 分子不同的聚集态 结构造成的 在氮气气氛下 c 6 0 纳米管 c 6 0 粉末和c 6 0 纳米纤维的起始分解温 度分别为1 6 0 3 4 0 和7 0 0 温度达到9 0 0 时 c 6 0 粉末 c 6 0 纳米管和c 6 0 纳 米纤维的残留分别为 o 2 0 和1 0 5 对c 6 0 纳米管的生长机理进行了推断 c 6 0 和吡啶分子之间发生了络合反应 形成了电子转移络合物 这是制备c 6 0 纳米管的必要条件 6 利用改良液 液界面沉积法 胶体沉淀法 快速制备了c 6 0 纳米纤维 通过 p o m s e m t e m 等测试手段对c 6 0 纳米纤维进行了形貌表征 结果表明 c 6 0 纳 米纤维直径比较均匀 大约在3 0 0 6 0 0 n m 之间 表面光滑 r a m a n i r 谱图表明 c 6 0 纳米纤维是由纯c 6 0 组成的 对c 6 0 纳米纤维的热稳定性进行了测试 对c 6 0 纳米 纤维的生长机理进行了推断 c 6 0 和甲苯之间没有发生络合反应 即不能形成电子 转移络合物 而是c 6 0 在甲苯溶液中分散形成了胶体溶液 光照能够促进胶体溶液 的形成 从而加速了c 6 0 纳米纤维的生长 7 利用胶体沉淀法快速制备了c 6 0 纳米球 纳米球直径大部分为3 0 0 5 0 0 n m c 6 0 纳米球为实心结构 球的粒径大小不一 粒径大的球 表面比较光滑 粒径小 的球表面比较粗糙 利用软模板法制备了c 6 0 纳微米棒 在未搅拌的情况下制备的 c 6 0 纳微米棒直径在微米尺度 部分棒的尺寸在纳米级 纳微米棒的长度可以达到 i i 几十到几百微米 在搅拌的情况下c 6 0 纳米棒呈现相互重叠集聚的物理状态 直径 大部分在3 0 0 h m 长度为2 4 微米 尺寸分布比较均匀 c 6 0 纳米棒的表面比较光洁 截面呈现六角形结构 在甲苯一c 6 0 体系中通过缓慢滴加不良溶剂的方法制备了具 有树枝状和花簇状的c 6 0 纳微米结构 8 本课题组首次用富勒烯c 6 0 c 7 0 混合物制备出c 6 d c 7 0 纳米纤维 对c 6 d c 7 0 纳米纤维进行了结构表征 结果表明c 6 0 c 7 0 纳米纤维部分为实心结构 有的具有 中空结构或者不连续的中空结构 纤维具有光学各向异性 纤维的平均直径约为 1 0 0 0 n m 纤维表面比较光滑 管径均匀 在实验中首次发现了具有螺旋状结构的 c 6 0 c 7 0 纳米纤维 直径约为2 0 0 n m 关键词 一维纳米材料 富勒烯 c 6 0 c 6 0 纳米管 c 6 0 纳米纤维 生长机理 胶体沉淀法 i i i t h ep r e p a r a t i o na n dg r o w t hm e c h a n i s mo f o n e d i m e n s i o nf u l l e r e n ec 6 0n a n o m a t e r i a l s a b s t r a c t t h en e wf u l l e r e n em a t e r i a l sh a v em a n yt m u s u a lf e a t u r e s w h i c hs h o wp o t e n t i a l a p p l i c a t i o n si nt h ef i e l d so fm o d e mt e c h n o l o g y s u c ha ss o l a rc e l l s p h o t o c o n d u c t o r m o l e c u l a re l e c t r o n i cd e v i c e s d r u g sa n dc a t a l y s t s c u r r e n t l y w i t ht h e c o n t i n u o u s d c v e l o p m e n to ff u l l e r e n em a t e r i a l sr e s e a r c h t h er e s e a r c ho fn a n o s t r u c t u r e df u l l e r e n e m a t e r i a j si nt h ef i e l do fn o v e lm a t e r i a l sh a sa t t r a c t e dw i d e s p r e a da t t e n t i o n s f u l l e r e n e s e s p e c i a l l yc 6 0c a nf o r man e wa g g r e g a t e s t r u c t u r eu n d e rc e r t a i nc o n d i t i o n sa n d f o r ma s t a b l es h a p ec o n t r o l l e dg r o w t ho ft h e p i p e l i n e w h i c h a r ec o n c e r n i n gf o rt h e w o r l d v i d em a t e r i a l ss c i e n t i s t s f u l l e r e n ec 6 0n a n o t u b c sa n dn a n o w i r e sb o t hp o s s e s s c o n j u g a t e d 兀e l e c t r o n i cs t r u c t u r e t h e s en o v e lc 6 0m a t e r i a l sn o to n l ym a i n t a i nt h e s t r u c t u r ea n dp r o p e r t i e so ff u l l e r e n em o l e c u l e s b u ta l s op o s s e s st h ec h a r a c t e r i s t i c so f q u a s io n e d i m e n s i o n a lm a t e r i a l t h em a i nw o r ko ft h i st h e s i si s t h es y n t h e s i so f o n e d i m e n s i o n a lf u l l e r e n ec 6 0n a n o m a t e r i a l su s i n gc o l l o i d a lp r e c i p i t a t i o nm e t h o d a v a r i e t yo fd i f f e r e n tm o r p h o l o g i e so ff u l l e r e n ec 6 0n a n o m a t e r i a l sh a sb e e ns u c c e s s f u l l y p r e p a r e da n dt h e i rs t r u c t u r ea n dc o m p o s i t i o nw e r ed e t a i l e dc h a r a c t e r i z e d t h eo p t i c a l a n i s o t r o p y t h e r m a ls t a b i l i t i e s e l e c t r o c h e m i c a lp r o p e r t i e sa n dm a g n e t i cp r o p e r t i e so f f u l l e r e n ec 6 0n a n o t u b e sw e r ea l s oc h a r a c t e r i z e d a st h es a m et i m e b a s e do nt h ea b o v e r e s u l t s t h eg r o w t hm e c h a n i s mo fo n ed i m e n s i o n a lf u l l e r e n ec 6 0n a n o m a t e r i a l sw a s d i s c u s s e d t h em a i nc o n t e n t sw e r ed e s c r i b e da sf o l l o w s 1 i nt h i sp a p e r f u l l e r e n ec 6 0n a n o t u b e s w e r ef i r s ts u c c e s s f u l l ys y n t h e s i z e du s i n g c o l l o i d a lp r e c i p i t a t i o n t h ec 6 0n a n o t u b e sm o r p h o l o g ya n ds t r u c t u r ew a s c h a r a c t e r i z e d b yp o m s e m t e ma n da f m t h eo b t a i n e dr e s u l t ss h o w e dt h a tt h ec 6 0n a n o t u b e s p o s s e s s e dt w os t r u c t u r e s t h es y m m e t r ya n dn o n s y m m e t r yw a i lc 6 0n a n o t u b e si n a c c o r d a n c e 析廿lt h ep o s i t i o no ft h eh o l l o ws t l l l c t u l e t h e i rd i a m e t e ri sb e t w e e n 3 0 0 5 0 0 n m t h em i n i m u md i a m e t e ro fc 6 0n a n o t u b ei sa b o u t15 0 n m t h el e n g t hi s a b o u tt e n st oh u n d r e d so fm i c r o n s 析t hk 曲a s p e c tr a t i o t h es e a da n dx r dr e s u l t s s h o w e dt h a tt h ec 6 0n a n o t u b e sw a l lw a sc o m p o s e do fs i n g l ec r y s t a lc 6 0m o l e c u l e s t h eg r o w t hd i r e c t i o no fc 6 0n a n o t u b e sw a sa l o n gt h e 110 s u r f a c eo fc 6 0m o l e c u l e s t h er a m a na n di rs p e c t r ac o n f i r m e dt h a tt h ec 6 0n a n o t u b e sw e r ec o m p o s e do fp u r e c 6 0m o l e c u l e s 2 t h ei n f l u e n c eo fd i f f e r e n tp r e p a r a t i o nc o n d i t i o n so nt h eg r o 叭ho fc 6 0 n a n o t u b e sw a ss t u d i e d t h er e s u l t ss h o w e dt h a tl i g h tc a na c c e l e r a t e dt h ec o m p l e xo f p y r i d i n ea n dc 6 0m o l e c u l ea n dp r o m o t et h eg r o w t ho fc 6 0n a n o t u b e s i ti se a s i e rt o o b t a i nc 6 0n a n o t u b e su s i n gt h eb l u ea n dg r e e nl i g h ts a t u r a t e dt h e c 6 0 p y r i d i a e s o l l i t i q n r 一一 t h ec o n t e n to fn a n o t u b e sw a sh i g h e r a n dt h en a n o t u b e s w a i lw a ss m o o t h e r m e a n w h i l eu l t r a s o n i ci r r a d i a t i o nc a na l s oa c c e l e r a t e dt h ec o m p l e xo f p y r i d i n ea n dc 6 0 t h e r e b yr e d u c i n gt h ef o r m a t i o nt i m eo fc 6 0n a n o t u b e s f o rt h ef i r s tt i m ew eg o tas e r i e s o fc 6 0n a n o t u b e sw i t ht h ea s p e c tr a t i or a n g ef r o m3t o10 0 0u s i n gu l t r a s o n i cc u t t i n g t e c h n o l o g y 3 w ei n v e s t i g a t e dt h ep r o p e r t i e so ff u l l e r e n ec 6 0n a n o t u b e s 1 1 1 er e s u l t ss h o w e d t h a tc 6 0n a n o t u b e sh a do p t i c a la n i s o t r o p y a tt h es a m et i m e t h ec 6 0n a n o t u b e sc a nb e p a t t e r n e di nam a g n e t i cf i e l d i na d d i t i o n t h et h e r m a ls t a b i l i t i e so fc 6 0n a n o t u b e sw e r e s t u d i e di na i ra n dn i t r o g e na t m o s p h e r er e s p e c t i v e l y t h er e s u l t ss h o w e dt h a tc 6 0 n a n o t u b e sw e r em o r es t a b l ei nn i t r o g e na t m o s p h e r e t h ee l e c t r o c h e m i c a lp r o p e r t i e so f c 6 0n a n o t u b e sw e r et e s t e d t h ev o l t a m m o g r a mo x i d a t i o np e a ko fc 6 0n a n o t u b e sd i d n o ta p p e a rw h i c hm e a n st h a tt h er e d u c e dc 6 0n a n o t u b e sc a nn o tb ee l e c t r o o x i d a t i o n u n d e rt h e e x p e r i m e n t a lc o n d i t i o n s n eb i gd i f f e r e n c eo fp a c k i n gs t a t eb e t w e e n o n e d i m e n s i o n a ls 仃1 c t l l r ea n dm o l e c u l a ri n d u c e dt h ed i f f e r e n c eo fe l e c t r o n i cs t r u c t u r e b e t w e e nc 6 0n a n o t u b e sa n dc 6 0m o l e c u l a r 4 t h er a m a ns p e c t r aa n dt h e r m a ls t a b i l i t i e so fc 6 0n a n o t u b e sa n dn a n o f i b e r s w e r ec o m p a r e d t h er a m a ns p e c t r ar e v e a l e dt h a tt h es o l u t i o ns t a t eo fc 6 0n a n o t u b e s a n dc 6 0n a n o f i b e r sw e r es i m i l a r t h ed r i e dc 6 0n a n o t u b e sw e r em o r ee a s i l yg r a p h i t e t h a nc 6 0n a n o f i b e r su n d e rt h es a m el a s e ri r r a d i a t i o nc o n d i t i o n s a n dt h ec 6 0n a n o t u b e s n w e r em o r el i k e l yt op h o t o p o l y m e r i z a t i o n t h e r e f o r e r a m a ns p e c t r o s c o p yc a nb eu s e d t od i s t i n g u i s hc 6 0n a n o t u b e sa n dc 6 0n a n o f i b e r s t h et h e r m a ls t a b i l i t i e so fc 6 0p o w d e r s c 6 0n a n o t u b e sa n dn a n o f i b e r sw e r es t u d i e di na i ra n dn i t r o g e na t m o s p h e r er e s p e c t i v e l y t h ei n i t i a ld e c o m p o s i t i o nt e m p e r a t u r eo fc 6 0n a n o t u b e s c 6 0p o w d e r sa n dc 6 0 n a n o f i b e r sw a sa b o u t15 0 3 2 0a n d4 9 0 i na i ra t m o s p h e r e w h i c hi nt u r ni n c r e a s e s o ft h e r m a ls t a b i l i t y t l l i si sd u et ot h ed i f f e r e n ta g g r e g a t i o n 咖t u r eo fc 6 0m o l e c u l e s i nn i t r o g e na t m o s p h e r e t h ei n i t i a ld e c o m p o s i t i o nt e m p e r a t u r eo fc 6 0n a n o t u b e s c 6 0 p o w d e r sa n dc 6 0n a n o f i b e r s w a s16 0 3 4 0a n d7 0 0 r e s p e c t i v e l y w h e nt h e t e m p e r a t u r er e a c h e d9 0 0 t h ec 6 0p o w d e r s c 6 0n a n o t u b e sa n dc 6 0 n a n o f i b e r s r e s i d u e sw a s 0 2 0 a n d1o 5 t h eg r o w t hm e c h a n i s mo fc 6 0n a n o t u b e sw a si n v e s t i g a t e d t h ec o m p l e x r e a c t i o nw a so c c u r r e db e t w e e nc 6 0a n dp y r i d i n em o l e c u l e s a n dt h e nf o r m e dac h a r g e 瑚u 二t r a n s 龟rc o m p l e x w h i c hw a sn e c e s s a r y t op r e p a r ec 6 0n a n o t u b e s 6 t l l ec 6 0n a n o f i b e r sw e r er a p i d l yp r e p a r e du s i n gm o d i f i e dl i q u i d l i q u i d i n t e r f a c ed e p o s i t i o n c o l l o i d a lp r e c i p i t a t i o n m e t h o d 1 1 l ec 6 0n a n o f i b e r sm o r p h o l o g y w a sc h a r a c t e r i z e db yp o m s e m t e ma n do t h e rt e s t s t h er e s u l t ss h o w e dt h a t c 6 0 n a n o f i b e r sd i a m e t e rw a su n i f o r ma n dt h e i rs u r f a c ew a ss m o o t h n em a m a na n di r s p e c t r ap r o v e dt h a tc 6 0n a n o f i b e r sw e r ec o m p o s e d o f p u r ec 6 0 n et h e r m a ls t a b i l i t yo f c 6 0n a n o f i b e r sw a ss t u d i e d n eg r o w t hm e c h a n i s mo fc 6 0n a n o f i b e r sw a sd e d u c e d t h e c o m p l e xr e a c t i o nb e t w e e nc 6 0a n dt o l u e n ed i dn o to c c u r w h i c hc a nn o tf o r mc h a r g e t r a n s f e rc o m p l e x b u tt h ed i s p e r s i o no fc 6 0i nt o l u e n es o l u t i o nc a nf o r mc o l l o i d a l s o l u t i o na n dl i g h tc a np r o m o t et h ef o r m a t i o no fc o l l o i d a ls o l u t i o n t h u st h eg r o w t ho f c 6 0n a n o f i b e r sw a sa c c e l e r a t e d 7 f u l l e r e n ec 6 0n a n o p a r t i c l e sw e r ep r e p a r e du s i n gac o l l o i d a lp r e c i p i t a t i o n m e t h o d t h e i rd i a m e t e rw a sa b o u t3 0 0 5 0 0 n m t h ec 6 0n a n o p a r t i c l e sw e r es o l i d s n l c t u r e t h es i z eo fn a n o p a r t i c l e sw a sd i f f e r e n t t h el a r g e rs i z eo fn a n o p a r t i c l e st h e s u r f a c es m o o t h e r t h es m a l l e rs i z eo fn a n o p a r t i c l e st h es u r f a c er o u g h e r t h ec 6 0 m i c r o n n a n o m e t e rr o d sw e r ep r e p a r e du s i n gs o f tt e m p l a t em e t h o d t h e i rd i a m e t e rw a s i nm i c r o ns c a l ei nt h ec a s eo fn o tm i x i n gp r e p a r a t i o n a n ds o m eo fr o d sd i a m e t e ri n n a n o m e t e rs c a l e t h el e n g t ho fr o d sc a nr e a c h e dt e n st oh u n d r e d sm i c r o m e t e r s i nt h e c a s eo fm i x i n gc 6 0n a n o r o d ss h o w e do v e r l a p p i n gc l u s t e ro fp h y s i c a ls t a t e m o s to ft h e d i a m e t e rw a s3 0 0 n m a n dl e n g t ho f2 4m i c r o n s t h es i z ed i s t r i b u t i o nw a sm o r e i i i u n i f o r m t h ec 6 0n a n o r o d ss u r f a c ew a s s m o o t h t h e ys h o w e dh e x a g o n a lc r o s ss e c t i o n t h ef l o w e rc l u s t e ra n dd e n d r i t i c l i k es t r u c t u r eo f c 6 0m i c r o h 蜀m o me t i e rs t r u c t l l r e sw a s p r e p a r e db ys l o w l yd r o p p i n gi nt o l u e n e c 6 0s y s t e m 8 t h ec 6 0 c 7 0n a n o f i b e r sw e r es y n t h e s i z e dw i t ham i x t u r eo f f u l l e r e n e sc 6 胡 7 0 p o w d e r s t h ec 6 0 c 7 0n a n o f i b e r sw e r ec h a r a c t e r i z e d t h er e s u l t ss h o w e dt l l a tp a r to f 乙6 0 c 7 0n a n o f i b e r sw a ss o l i ds t r u c t u r e o t h e r sw i t hh o l l o ws t r u c t u r e o rt l l eh o l l o w s t m c t u r ew a u sn o tc o n t i n u o u s t h ef i b e r sp o s s e s s e d o p t i c a la n i s o t r o p y t h ea v e r a g e d l 锄e t e ro ff i b e r sw a sa b o u t1 0 0 0 n m t h e i rs u r f a c ew a ss m o o t h i nt h i se x p 嘶m e n t w e t l r s td l s c o v e r e ds p i r a ls t r u c t u r eo f c 6 0 c 7 0n a n o f i b e r sw i t hd i a m e t e r so fa b o u t2 0 0 咖 k e y w o r d s o n e d i m e n s i o n a ln a n o m a t e r i a l s f u l l e r e n e c 6 c 6 0r m t i l b e s c 6 0 n a n o f i b e r s g r o w t hm e c h a n i s m c o l l o i d a lp r e c i p i t a t i o n i v 目录 中文摘要 i a bs tr a c t i 第一章文献综述 l 1 1 富勒烯 c 6 0 的物理化学性质 2 1 1 1c 6 0 的物理性质 3 1 1 2c 6 0 的化学性质及修饰 7 1 1 3c 6 0 的聚合物 1 0 1 2 一维纳米材料的制备方法及其研究进展 1 2 1 2 1 一维纳米材料的制备方法 1 3 1 2 2 碳纳米管的发现及研究进展 1 6 1 3 一维c 6 0 纳米材料的研究现状 1 7 1 4c 6 0 基纳米材料的潜在应用 2 3 1 5 选题的目的和意义 2 4 1 6 主要研究内容 2 6 第二章可溶性富勒烯c 卯纳米纤维的制各及其生长机理研究 2 7 2 1 引言 2 7 2 2c 6 0 纳米纤维的制备及表征 2 8 2 2 1 实验试剂 2 8 2 2 2 实验仪器 2 8 2 2 3c 6 0 纳米纤维的制备 2 8 2 2 4 分析测试手段 2 9 2 3 实验结果与讨论 3 1 2 3 1c 6 0 纳米纤维的p o m 分析 3 1 2 3 2c 6 0 纳米纤维的s e m 分析 3 1 2 3 3c 6 0 纳米纤维的t e m 分析 3 2 2 3 4c 6 0 纳米纤维的r a m a n 分析 3 3 2 3 5c 6 0 纳米纤维的i r 分析 3 5 2 3 6c 6 0 纳米纤维的t g 分析 3 6 2 4c 6 0 纳米纤维的生长机理研究 3 8 2 4 1 甲苯 c 6 0 体系的丁达尔现象 3 8 2 4 2c 6 0 纳米纤维的生长机理 3 8 2 5d 结 4 0 第三章胶体沉淀法制备c 6 0 纳米管及其生长机理研究 4 1 3 1 弓i 言 4 1 3 2c 6 0 纳米管的制备 4 2 3 2 1 实验试剂 4 2 3 2 2 实验仪器 4 2 3 2 3c 6 0 纳米管的制备过程 4 2 3 2 4 分析测试手段 4 4 3 3 实验结果与讨论 4 5 3 3 1c 6 0 纳米管的p o m 分析 4 5 3 3 2c 6 0 纳米管的s e m 分析 4 6 3 3 3c 6 0 纳米管的t e m 和s a e d 分析 4 6 3 3 4c 6 0 纳米管的a f m 分析 4 8 3 3 5c 6 0 纳米管的x r d 分析 4 8 3 3 6c 6 0 纳米管的r a m a n 分析 4 9 3 3 7c 6 0 纳米管的i r 吸收光谱分析 5 l 3 4 制各条件对c 6 0 纳米管的影响 5 2 3 4 1 自然光照射的影响 5 2 3 4 2 不同波长光照的影响 5 4 3 4 3 超声波照射的影响 5 6 3 4 4 紫外 可见吸收光谱分析 5 7 3 5 不同长径比c 6 0 纳米管的制备 5 9 3 6c 6 0 纳米管的性能测试 6 0 1 1 3 6 1 3 6 2 3 6 3 3 6 4 3 7c 3 7 1 3 7 2 3 8c 6 0 纳米管的生长机理研究 7 0 3 9 小结 7 7 第四章不同形状富勒烯c 6 0 纳微米晶体的制备及其表征 7 9 4 1 引言 7 9 4 2c 6 0 纳米球的制备及表征 0 00 0 8 0 4 2 1c 6 0 纳米球的制备 8 0 4 2 1 1 实验试剂 8 0 4 2 1 2 实验仪器 0 000 00 0 0 8 0 4 2 1 3c 6 0 纳米球的制备过程 8 0 4 2 2c 6 0 纳米球的表征 8 1 4 2 3 结果与讨论 8 2 4 3 软模板法制备c 6 0 纳 微米棒及结构表征 8 4 4 3 1c 6 0 纳 微米棒的制备 8 4 4 3 2c 6 0 纳 微米棒的表征 8 5 4 4 搅拌情况下制备c 6 0 纳微米棒 8 6 4 4 1 实验步骤 8 6 4 4 2c 6 0 纳 微米棒的表征 8 6 4 5 甲苯体系中树枝状c 6 0 纳微米材料的制备 8 7 4 5 1 树枝状c 6 0 纳微米材料的制备 8 7 4 5 2 树枝状c 6 0 纳微米材料的表征 8 7 4 6 j 结 9 0 第五章富勒烯c c 7 0 纳米纤维的制备及其表征 9 1 5 1 引言 9 1 5 2 实验部分 9 1 5 2 1 实验试剂 9 1 5 2 1 实验仪器 9 1 5 2 3 实验过程 9 2 5 2 4 分析测试手段 9 3 5 3 结果与讨论 9 4 5 3 1c 6 0 c 7 0 纳米纤维的p o m 表征 9 4 5 3 2 c 6 0 c 7 0 纳米纤维的s e m 表征 9 5 5 3 3c 6 0 c 7 0 纳米纤维的t e m 表征 9 6 5 3 4c 6 0 c 7 0 纳米纤维的f t i r 表征 9 7 5 4 j 结 9 9 结论 1 0 0 本论文的创新点 1 0 2 今后研究工作设想 1 0 3 参考文献 1 0 4 致谢 1 1 5 攻读博士学位期间发表的学术论文目录及专利 1 1 6 攻读博士学位期间参与的科研课题 11 7 声明 1 1 8 i v 青岛科技人学博士研究生学位论文 第一章文献综述 碳元素广泛的存在于地球上 其奇异独特的物理化学性质和多种多样的形态 随人类科学的进步而逐渐的被发现 认识和利用 在地球上 碳元素是产生生物 学的基础 它是地球上一切生物有机体的骨架元素 碳元素的化合物是组成所有 生物体的基础 在人体中碳元素占总重量的1 8 左右 可以说没有碳元素就没有 生命 早期人们认为碳元素有两种同素异构体 石墨和金刚石 1 9 8 5 年h w k r o t o 和r e s m a l l e y 等在研究激光蒸发石墨电极时发现了c 6 0 等富勒烯家族 l j 1 9 9 1 年 日本电子公司的饭岛博士又发现了纳米碳管 2 成为碳家族中新的同素异构体 自古至今 煤炭 焦炭 炭黑 活性炭 石墨电极 铅笔和炭膜开关 天然金刚 石 人造金刚石 人造金刚石薄膜等 人们几乎无处不在与之接触 当今世界 以碳为主要构成原子的有机化学 为塑料 橡胶和合成纤维三大材料奠定了坚实 的基础 极大地推动了人类的进步 新近发现的富勒烯和纳米碳管则将进一步为 人类广泛利用其特殊性能开拓出无可限量的前景 物理学家对不同结构纳米碳管 的特殊电性质 化学家对纳米碳管具有纳米尺度的空间 材料学家对其惊人的刚 度 强度和弹力都极为关注 使得纳米碳管成为近十几年来凝聚态物理和材料科 学研究的一大研究热点 纳米技术是指在纳米尺度 0 1 1 0 0 n m 上研究物质的特性和相互作用以及 利用这些特性开发新产品的一门科学和技术 当物质的尺寸小到1 1 0 0 n m 时 由 于其量子效应 小尺寸效应 宏观量子隧道效应及表面效应等 物质的很多性质 会发生奇异的变化 从而使物质呈现出许多的既不同于宏观物体 也不同于单个 原子或者分子的奇特现象及性质 近十几年以来 纳米科学技术得到了迅猛的发 展 其前景十分广阔 必将成为新世纪科学发展的前沿和主导 纳米材料是指三维空间尺寸中至少有一维处于纳米尺度 1 1 0 0 n m 范围或 者由它们作为基本单元构成的材料 按照材料的空间几何形状特征 可以将纳米 材料分为三类 1 零维纳米材料 指在空间三维尺度均在纳米尺度范围 如纳 米颗粒 粉体及纳米团簇等 3 7 2 一维纳米材料 指在空间中有两维都处于纳 米尺度范围 受到了约束 如纳米棒 纳米线 纳米带 纳米管等 8 舶1 3 二 一维富勒烯c 6 0 纳米材料的制备及其生长机理研究 维纳米材料 指在三维空间中只有一维处于纳米尺度范围 如多层纳米结构 纳 米薄膜 超晶格等 1 5 1 最早人们通常认为碳元素只有两种同素异构体 石墨和金刚石 而近十几年 来以c 6 0 为代表的富勒烯类材料和碳纳米管 纳米纤维 则是人们新发现的碳的 两种同素异构体 富勒烯家族中以c 6 0 分子最为稳定 c 6 0 分子的直径为0 7 1 n m 属于典型的零维碳纳米材料 而碳纳米管 纳米纤维 则是直径为几到几十纳米 长度可达几十微米的一维碳纳米材料 1 1 富勒烯 c 6 0 的物理化学性质 在富勒烯家族中以c 6 0 最稳定 c 6 0 是1 主t 6 0 个碳原子组成的分子 其形状类似 于足球 可以看作是由一个由二十面体截去顶面而得到的三十二面体 它是由1 2 个五边形面和2 0 个六边形面所组成 其中每个五边形均与相邻的5 个六边形共边 而每个六边形则将1 2 个五边形彼此隔开 如图1 1 所示 与石墨分子相似 c 6 0 分 子中的每个碳原子与周围3 个碳原子形成2 个单键和1 个双键 图1