一維富勒烯C-,60-納米材料的制備及其生長機理研究.pdf

1、富勒烯新材料具有許多不尋常的特性，在現(xiàn)代科技領域中存在著潛在的應用前景，例如在太陽能電池、光導、分子電子器件、藥物以及催化劑等方面。目前，隨著富勒烯新材料研究的不斷發(fā)展，基于富勒烯納米結構材料的研究在新材料領域中引起了廣泛關注。特別是富勒烯C60是否能夠在一定條件下形成新的聚集態(tài)結構，能否可控生長形成穩(wěn)定形狀的“管”“線”，為國際上材料科學家所關注。富勒烯C60納米管和納米線均具有共軛π電子結構，既保持了富勒烯C60分子的結構和性質(zhì)，作

2、為新的聚集態(tài)結構又具有準一維納米材料的特點。本文的主要工作是利用膠體沉淀法等制備一維富勒烯C60納米材料，成功制備了多種不同形貌的富勒烯C60納米材料，對它們的結構和組成進行了表征，探討了富勒烯C60納米管的光學各向異性、熱穩(wěn)定性、電化學性能和磁性能等，并討論了一維富勒烯C60納米材料的生長機理。主要內(nèi)容如下：
　　 ⑴利用膠體沉淀法成功的制備了C60納米管。通過POM、SEM、TEM、AFM等測試手段對C60納米管進行了形貌和

3、結構表征，結果表明：按照C60納米管中中空結構的位置，可以分為管壁對稱型C60納米管和非對稱型C60納米管兩種結構。C60納米管的直徑在300-500nm之間，最小的直徑大約在150nm，長度大約為幾十到幾百微米，具有高的長徑比。SEAD和XRD結果表明：C60納米管的管壁是由單晶結構的C60所構成的，同時C60納米管的生長方向是沿C60晶體的[110]面生長。通過Raman、IR譜圖表明：所制備的C60納米管不含有任何溶劑，是由純C6

4、0分子組成。
　　 ⑵考察了不同的制備條件對C60納米管生長的影響。結果表明：光照促進了吡啶-C60之間的絡合反應，能夠促進C60納米管的生長。用藍、綠光照射的C60-吡啶飽和溶液較容易培養(yǎng)出C60納米管，管的含量較高，同時生成的C60納米管外壁較光滑。超聲波的照射也可以加速吡啶-C60的絡合，從而縮短C60納米管的生成時間。本工作首次利用超聲波裁剪技術，制得了長徑比從3到1000范圍的一系列C60納米管。
　　 ⑶對C

5、60納米管的性能進行了測試。結果表明：C60納米管具有光學各向異性，C60納米管在磁場中能夠圖案化。分別在空氣和氮氣氣氛下對C60納米管的熱穩(wěn)定性進行了測試，C60納米管在氮氣氣氛中更穩(wěn)定一些。對C60納米管的電化學性能進行了測試，C60納米管的伏安曲線上沒有出現(xiàn)氧化峰，意味著本實驗條件下還原了的C60納米管不能被電氧化。一維結構和分子堆積狀態(tài)的差異，從而導致C60納米管的電子結構與富勒烯C60分子的電子結構不同。
　　 ⑷對C

6、60納米管和C60納米纖維的拉曼譜圖和熱穩(wěn)定性進行了比較。拉曼光譜結果表明：溶液狀態(tài)下的C60納米管和C60納米纖維的拉曼光譜很相近，在同樣激光條件的照射下，干燥的C60納米管比C60納米纖維更容易石墨化，更容易發(fā)生光聚合。可以利用拉曼光譜來區(qū)分干燥的C60納米管和C60納米纖維。分別在空氣和氮氣氣氛下對C60粉末、C60納米管和納米纖維的熱穩(wěn)定性進行了研究，在空氣氣氛下C60納米管、C60粉末和C60納米纖維的初始分解溫度分別約為15

7、0℃、320℃和490℃，它們的熱穩(wěn)定性依次增大，這是由于C60分子不同的聚集態(tài)結構造成的。在氮氣氣氛下，C60納米管、C60粉末和C60納米纖維的起始分解溫度分別為160、340和700℃。溫度達到900℃時，C60粉末、C60納米管和C60納米纖維的殘留分別為：0、20％和10％。
　　 ⑸對C60納米管的生長機理進行了推斷：C60和吡啶分子之間發(fā)生了絡合反應，形成了電子轉(zhuǎn)移絡合物，這是制備C60納米管的必要條件。
　

8、　 ⑹利用改良液-液界面沉積法（膠體沉淀法）快速制備了C60納米纖維。通過POM、SEM、TEM等測試手段對C60納米纖維進行了形貌表征，結果表明：C60納米纖維直徑比較均勻，大約在300-600nm之間，表面光滑。Raman、IR譜圖表明：C60納米纖維是由純C60組成的。對C60納米纖維的熱穩(wěn)定性進行了測試。對C60納米纖維的生長機理進行了推斷：C60和甲苯之間沒有發(fā)生絡合反應，即不能形成電子轉(zhuǎn)移絡合物，而是C60在甲苯溶液中分散

9、形成了膠體溶液，光照能夠促進膠體溶液的形成，從而加速了C60納米纖維的生長。
　　 ⑺利用膠體沉淀法快速制備了C60納米球。納米球直徑大部分為300-500nm。C60納米球為實心結構，球的粒徑大小不一；粒徑大的球，表面比較光滑；粒徑小的球表面比較粗糙。利用軟模板法制備了C60納微米棒，在未攪拌的情況下制備的C60納微米棒直徑在微米尺度，部分棒的尺寸在納米級，納微米棒的長度可以達到幾十到幾百微米。在攪拌的情況下C60納米棒呈現(xiàn)相

10、互重疊集聚的物理狀態(tài)，直徑大部分在300nm，長度為2-4微米，尺寸分布比較均勻。C60納米棒的表面比較光潔，截面呈現(xiàn)六角形結構。在甲苯-C60體系中通過緩慢滴加不良溶劑的方法制備了具有樹枝狀和花簇狀的C60納微米結構。
　　 ⑻用富勒烯C60/C70混合物制備出C60/C70納米纖維。對C60/C70納米纖維進行了結構表征，結果表明C60/C70納米纖維部分為實心結構，有的具有中空結構或者不連續(xù)的中空結構，纖維具有光學各向異性