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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(jīng)成為研究的熱點之一。納米金剛石具有優(yōu)異的機械、光學(xué)和電學(xué)等性能。在場發(fā)射、潤滑劑和生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域具有應(yīng)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(fā)法、CVD法、高能離子轟擊法及放電等離子燒結(jié)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(jié)法制得了納米金剛石。表征結(jié)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(jié)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(fā)現(xiàn)的[9]。碳納米洋蔥的微觀形貌為多層石墨構(gòu)成的洋蔥狀顆粒，尺寸在納米數(shù)量級。迄今為止，人們已經(jīng)發(fā)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(jié)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(jié)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(jié)構(gòu)和形貌多樣，具有優(yōu)異的理化性質(zhì)。籠狀結(jié)構(gòu)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(zhì)的納米復(fù)合材料。由于范德華力的作用，碳納米顆粒往往團聚嚴(yán)重，不易分散，使得其性質(zhì)和應(yīng)用研究受到限制。因此，制備分散性好、性質(zhì)優(yōu)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(fā)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(jié)果表明，制得的碳納米籠的表面積和孔體積的大小與反應(yīng)溫度和壓力有關(guān)。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(jié)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(yīng)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(gòu)成了形貌和結(jié)構(gòu)多樣的納米顆粒材料，這類碳納米材料獨特的結(jié)構(gòu)和奇異的物理化學(xué)性質(zhì)賦予其廣泛的用途。尤其是碳納米籠顆粒，在眾多的應(yīng)用中作為催化劑載體而成為催化領(lǐng)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(yīng)。結(jié)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(jié)構(gòu)對負載鉑催化劑催化環(huán)己烷脫氫反應(yīng)性能的影響。杜建平等[13]采用爆炸輔助化學(xué)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(huán)己烷脫氫反應(yīng)的催化性能。結(jié)果表明，鉬含量對環(huán)己烷脫氫催化反應(yīng)有較大影響。鉬含量15%時，催化性能最佳。

2.2生物醫(yī)藥與其它維數(shù)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(yīng)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(nèi)的免疫性越強，容易遭到免疫系統(tǒng)的攻擊，從而被器官捕獲和降解。周兆熊等[14]采用高壓均質(zhì)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(jié)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(jié)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(yīng)；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(jié)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(dǎo)電性能。結(jié)果表明，該碳納米顆粒具有核殼結(jié)構(gòu)，內(nèi)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(dǎo)電性隨著銅含量的增加而增加。當(dāng)銅含量為80（wt）%時出現(xiàn)突躍。

2.4發(fā)光材料熒光碳納米顆粒是一類較為理想的熒光標(biāo)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(guān)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(xué)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(jié)構(gòu)的碳簇可能是碳納米顆粒的發(fā)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(jié)構(gòu)的，直徑小于10nm的碳納米顆粒，其可以發(fā)出多種可見光，得到了3%的熒光量子產(chǎn)率。

3結(jié)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(yīng)用領(lǐng)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(xiàn)有制備水平以及發(fā)明新的制備技術(shù)，實現(xiàn)零維碳納米材料的形貌可控、可調(diào)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(yīng)用方面，需要進一步研究其應(yīng)用價值，為該類材料的實際應(yīng)用提供基礎(chǔ)。隨著人們研究的不斷深入，其制備方法會得到改進和創(chuàng)新，具有新穎結(jié)構(gòu)的碳納米顆粒材料會不斷地問世，進而應(yīng)用于實踐，潛移默化地改變我們的生活方式。

作者：關(guān)磊范文婷王瑩單位：遼寧石油化工大學(xué)化學(xué)化工與環(huán)境學(xué)部