零维碳材料的合成及吸附性能应用和现代研究

零维碳材料的合成及吸附性能应用和现代研究
作者：耿晓欣
来源：《科学与信息化》2017年第06期
摘要纳米科学技术介的兴起被认为是世纪科学技术的一次重大革命，它将成为未来智能社会的四大支柱之一。

纳米科学是研究纳米尺度范畴内原子、分子和其他类型物质运动和变化的科学，而在同样尺度范围内对原子、分子等进行操纵和加工的技术称为纳米技术。

零维碳材料是纳米材料其中一种，下文将会谈谈零维碳材料的合成及吸附性能应用。

关键词纳米材料；零维；碳材料；合成；吸附性能
1 导言
自远古的木炭取火到当今核反应堆和航天材料，人类对碳材料的应用和研究从未停止过。

随着纳米材料的成功制备为材料科学和现代高新科技的发展开辟了新的天地，20世纪80年代以来，零维材料取得了很大进展，但纳米材料的制备和研究仍然面临巨大的挑战，鉴于此情况，本作者将会结合自身认识，针对零维碳材料的合成及吸附性能进行相关分析及研究，以供相关工作人员参考。

2 纳米技术
纳米技术是在单个原子、分子层次上对物质的种类、数量和结构形态进行精确的观测、识别和控制的技术，是在纳米尺度范围内研究物质的特性和相互作用，并利用这些特性制造具有特定功能产品的多学科交叉的高新技术。

其最终目标是人类按照自己的意志直接操纵单个原子、分子，制造出具有特定功能的产品[1]。

3 纳米碳材料
3.1 无定形碳
采用等离子体放电法，在超声波气穴的苯溶液中制得了高度无序的直径小于30nm的碳纳米颗粒。

3.2 纳米石墨
纳米石墨是指纳米尺度大小的石墨颗粒。

其制备方法主要有球磨法、超声波粉化法、爆炸法、化学气相沉积（CVD）法、激光蒸发法和电弧放电法等。

目前已经制备出的纳米石墨主要包括纳米石墨薄片、纳米石墨粉和纳米石墨晶体等。

3.3 纳米金刚石
近年来，纳米尺度的金刚石作为新型碳纳米材料已经成为研究的热点之一。

纳米金刚石具有优异的机械、光学和电学等性能。

在场发射、润滑剂和生物医学等领域具有应用价值。

1961年Decarli等首先用爆炸法制得了超细金刚石粉。

目前，纳米金刚石的制备方法主要包括爆炸法、激光蒸发法、CVD法、高能离子轰击法及放电等离子烧结法等。

3.4 碳纳米洋葱
碳纳米洋葱是1992年Ugarte在显微镜中通过强电子束照射炭灰而发现的。

碳纳米洋葱的微观形貌为多层石墨构成的洋葱状颗粒，尺寸在纳米数量级。

迄今为止，人们已经发展了多种制备碳纳米洋葱的方法，如电子束照射法、离子注入法、电弧放电法、碳烟灰的冲击波处理法及等离子体喷头上的碳沉积法等。

3.5 碳纳米笼
碳纳米笼的结构和形貌多样，具有优异的理化性质。

笼状结构的碳纳米颗粒之间存在空隙，很方便填充金属颗粒或其他分子，制备成具有特殊性质的纳米复合材料。

由于范德华力的作用，碳纳米颗粒往往团聚严重，不易分散，使得其性质和应用研究受到限制。

因此，制备分散性好、性质优异的碳纳米笼颗粒具有重要的意义。

碳纳米笼的制备方法包括CVD法、超临界流体法、模板法、激光蒸发法及溶剂热法等[2]。

4 零维碳材料的合成方法
4.1 电子束辐照法
电子束辐射法制备纳米碳材料的主要研究手段是高分辨透射电子显微镜，它易于进行原位组织观察、易于控制照射电子束密度、易于进行形成相成分分析和过程记录。

4.2 气相直流电弧放电法
电弧法是生产富勒烯的传统方法。

其基本原理是：当强电流使两个碳电极间形成电弧时，电弧放电使碳棒气化形成等离子体，阳极石墨棒不断被消耗，在惰性气体中，小碳团簇经过多次碰撞形成稳定的零维碳材料。

4.3 化学气相沉积法
化学气相沉积法通常是将含碳的有机金属化合物放入石英管中，通入一定量的惰性气体（Ar，N2等），排除管内氧气，在设定的反应温度和时间下化合物分解成金属颗粒，碳物质在金属微粒的催化作用下形成富勒烯材料；也可以将含碳有机气体混以一定比例的惰性气体，将金属催化剂置于石英管中，在一定温度下，有机气体在催化剂表面裂解形成碳源，碳源通过
催化剂扩散，在催化剂后表面长出富勒烯类材料。

制备过程中催化剂的选择、反应温度、保温时间、气流量等都会影响产物的质量、产率以及直径分布。

4.4 机械球磨法
该法的原理是通过球磨机钢球和原料的高频碰撞产生纳米碳材料。

基本工艺如下：
在滚转的球磨机容器里填充碳纳米管和Fe粉（纯度>99.9%）作为原料，A：气氛保护，低于100℃下球磨时间为15-30min时可观察到大量的纳米碳材料。

Li B.Y.等提出了碳纳米管向纳米碳材料的转变机理，用此法石墨粉也可转变为纳米碳材料，此法影响因素较多，如钢球和粉体的重量比，容器温度和球磨时间等，且易引入杂质，所得产物不均匀。

4.5 碳离子束注入法
该方法的基本原理是：真空炉中高能碳离子（C+）束注入多晶物质基底上利用碳和基底物质的不融合性及溶解、扩散和过饱和沉积的机制形成纳米碳材料及其薄膜。

4.6 水下电弧放电法
水下电弧放电法制备纳米碳材料可以说是直流电弧放电法的一种装置改变。

2001年，N.Sano等在《Nature》杂志上发表了水中电弧放电生成纳米碳材料的最新研究报道。

他们用水下电弧放电法制备了大量的纳米碳材料。

与众不同的是，这种电弧法没有用真空设备，而是将石墨电极浸入在去离子水中，当高纯阴极与阳极石墨棒接触时产生电弧，碳等离子体通过阳极的热蒸发产生。

在这一研究中发现产物是漂浮在水面上的薄膜状物质，收集表征后发现有大量纳米碳材料存在。

水下电弧放电法生成的纳米碳材料的直径约在4-36nm之间，并测得纳米碳材料的比表面积高达984.3m2·g-1，认为可用于气体的存储。

测得其密度为1.64g·cm-3，比水的密度大，但全漂浮在水的表面，这表明纳米碳材料具有疏水性。

4.7 射频等离子体法
等离子体是一种由电子、离子、原子和分子组成的电中性的高温、高能量密度带电导体，它可以由惰性、中性、氧化性和还原性等不同气体形成该种气体或两种以上气体的等离子体。

利用射频等离子体和微波等离子体制备纳米碳材料的工作，可以分别制备了不同形貌的纳米碳材料。

4.8 真空热处理法
将粒径为5 nm的金刚石微粒于真空状态在一定温度下进行退火处理时，发现在1700 0C 处理时纳米金刚石微粒几乎全部转变为纳米碳材料，在20000C处理时纳米金刚石微粒几乎全部转变为多面体状纳米碳材料。

5 零维碳材料的吸附性能
碳材料是一类有着极为广泛应用前景的新型材料，它不仅与改善人民的生活质量息息、相关而且可形成一类能产生高附加值的高技术产业，其中免疫吸附和血液净化用吸附材料的研究方兴未艾。

血液净化吸附剂主要有活性炭、吸附树脂、离子交换树脂和琼脂等。

近年来人们更多选用形状规整的球状碳材料，以利于血液流动和减少对血液有形成分的破坏，因此掀起了对零维碳材料的研究热潮。

其中，碳微球和纳米洋葱状富勒烯因其独特结构引起了科学界的重视，使之受到越来越多的关注。

但是，到目前为比有关它们吸附性能的研究和理论却少之又少，对于它们的吸附机制及其孔结构的表征的实验研究还不够成熟，与实际的应用还远远接不上轨。

5.1 碳微球的吸附等温线较为复杂，经过石墨化处理之后孔容降低，比表面积增加。

经微波等离子体处理后其吸附能力有所增加，而经过高温真空热处理之后吸附能力有所下降。

5.2 单纯纳米碳材料和内包金属Fe的纳米碳材料的吸附性能有一定差异，单纯纳米碳材料的吸附能力较低。

5.3 经过硝酸氧化后，零维碳材料的吸附等温线类型由原来的混合型转变为典型的III型；碳微球只有经过15h的氧化后吸附量呈现上升，而纳米碳材料的吸附量在氧化后只呈现了下降趋势；碳微球在经过6h，12h和15h的氧化后比表面积有所增加，而纳米碳材料只有在经过12h的氧化后才有所上升。

5.4 无论是氧化前还是氧化后，纳米碳材料的吸附量都远远大于碳微球。

5.5 通过调整氧化时间和选择适当的氧化剂，有可能极大的改善零维碳材料的吸附能力，从而为零维碳材料作为吸附材料提供可能性。

6 结束语
上文中，我们对零维碳材料的合成及吸附性能应用做出了初步地分析。

鉴于自身能力、工作经验的限制，本文可能对零维碳材料的合成及吸附性能应用论述的还不够彻底、全面。

整个论述过程中，甚至可能出现某些不恰当的观点或问题。

而要避免这些，必然需要各个同行们的批评和建议。

希望广大的相关从业者们，能够立足于自身实践，从思想、行动上对零维碳材料的合成及吸附性能应用做出创新。

参考文献
[1] 马艾丽.零维碳材料的合成及吸附性能研究[D].太原：太原理工大学，2007：29.
[2] 于洪霞.中空碳纳米材料的结构设计及性能研究[D].南京：南京理工大学，2014：33.。