富勒烯的應(yīng)用現(xiàn)狀

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1、富勒烯（C60）研究與應(yīng)用現(xiàn)狀富勒烯（C60）研究與應(yīng)用現(xiàn)狀大連工業(yè)大學(xué)摘要：富勒烯發(fā)現(xiàn)至今只冇短短20年時(shí)間，由于共獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和物理、化學(xué)性質(zhì)，吸引了眾多科學(xué)家的目光,因此在這20年中，使得C60化學(xué)得到了很大的發(fā)展.文章綜述了富勒烯的幾種合成方法，并闡述了目前常用的應(yīng)用現(xiàn)狀，最后對其未來的發(fā)展作了展望。關(guān)鍵詞富勒烯；合成方法；應(yīng)用引言富勒烯的發(fā)現(xiàn)始于1985年Kroto等⑴在高真空環(huán)境下激光濺射石墨的研究。利用這種方法只能產(chǎn)生數(shù)以千計(jì)的富勒烯分子，根木無法進(jìn)行富勒烯詳細(xì)的性質(zhì)表征研究，當(dāng)然更談不上應(yīng)用。1990年,Krast

2、chmer等⑵發(fā)明了低壓氨氣環(huán)境下石墨電極電弧放電法合成富勒烯，能夠得到克量級(jí)的C60產(chǎn)物?由于富勒烯特殊的結(jié)構(gòu)和性能，在材料、化學(xué)、超導(dǎo)與半導(dǎo)體物理、生物等學(xué)科和激光防護(hù)、催化劑、燃料、潤滑劑、合成、化妝品、量了計(jì)算機(jī)等工程領(lǐng)域具有重要的研究價(jià)值和應(yīng)用前景。1991年富勒烯被美國《科學(xué)》雜志評為年度分子，富勒烯被列為21世紀(jì)的新材料。此后，科學(xué)家經(jīng)過不斷的探索和研究,發(fā)明了更多生產(chǎn)富勒烯的方法，例如連續(xù)石墨屯極放電法、激光配合高溫石墨棒蒸發(fā)法⑷、引入鐵磁性金屬催化劑法、高溫等離子體石墨蒸發(fā)法如71,苯高溫火焰燃燒法等。而且富勒

3、烯在日常生活中的應(yīng)用越來越廣泛，因而富勒烯產(chǎn)品在未來社會(huì)具有很好的發(fā)展前景。2.富勒烯的合成方法2.1水下放電法水下放電法""將電弧室屮的介質(zhì)由惰性氣體換為去離子水，采用直流電弧放電，以碳純度為99%、直徑6iwn的碳棒做陽極，直徑為12mm的碳棒做陰極，放入2.5L的去離子水中至其底部3mm的位置，在電壓為16?17V、電流為30A的條件下拉直流電弧，產(chǎn)物可在水表面收集。水下放電法不需要傳統(tǒng)電弧法的抽氣泵和高度密封的水冷真空室等系統(tǒng)，免除了復(fù)雜昂貴的費(fèi)用，可進(jìn)一步降低反應(yīng)溫度，能耗更小，并且產(chǎn)物在水表面收集而不是在整個(gè)有較多粉

4、塵的反應(yīng)室。與傳統(tǒng)電弧法相比，此法產(chǎn)率及質(zhì)量均較高。此法可制備出球形洋蔥富勒烯、像富勒烯似的碳納米粒子、類似碳納米管和富勒烯粉末?？傊?，電弧法是目前應(yīng)用最廣泛、有可能進(jìn)一步擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模的制備方法，其C60產(chǎn)率可達(dá)10%?13%,為其物理、化學(xué)的研究奠定了基礎(chǔ)。電弧法制備碳納米管產(chǎn)率約為30%-70%,在電弧放電的過程中能達(dá)到4000K的高溫，這樣的溫度下碳納米管最大程度地石墨化，所以制備的管缺陷少，比較能反映碳納米管的真正性能。但由于電弧放電通常十分劇烈，難以控制進(jìn)程和產(chǎn)物，合成的沉積物中存在有碳納米顆粒、無定形炭或石墨碎片等雜

5、質(zhì)，而口碳管和雜質(zhì)融合在一起，很難分離。2.2CVD法CVD是制備富勒烯的另一種典型方法。催化熱分解反應(yīng)過程一般是將有機(jī)氣體（通常為C2H2）混以一定比例的氮?dú)庾鳛閴褐茪怏w，通入事先除去氧的石英管屮，在一定的溫度下，在催化劑表面裂解形成碳源，碳源通過催化劑擴(kuò)散，在催化劑后表面長出碳納米管，同時(shí)推著小的催化劑顆粒前移。直到催化劑顆粒全部被石墨層包覆，碳納米管生長結(jié)束。制備過程中催化劑的選擇，反應(yīng)溫度，時(shí)間，氣流量等都會(huì)影響碳納米管的質(zhì)量、產(chǎn)率，尤其是碳納米管的宜徑很大程度上依賴于催化劑顆粒的宜徑3⑶,因此通過催化劑種類與粒度的選擇

6、及工藝條件的控制，可獲得純度較高、尺寸分布較均勻的碳納米管。IvanovV等用此方法長出了長達(dá)50um的碳納米管，且通過對Fe、Co、Ni、Cu的催化能力比較，得岀納米級(jí)微粒Co催化生成的納米碳管石墨化程度較好。文獻(xiàn)說明實(shí)驗(yàn)理想?yún)?shù)：溫度為650°C?700°C,氣體流量C2H2二10mL/min、N2=600mL/min,反應(yīng)時(shí)間60min~70min,產(chǎn)率高達(dá)90%以上。此方法主要用于制備碳納米管。它和電弧法比較，有反應(yīng)過程易于控制，設(shè)備簡單，原料成本低，可大規(guī)模生產(chǎn)，產(chǎn)率高等優(yōu)點(diǎn)。用此方法制備出來的碳納米管有多種形貌（直的

7、、彎的、螺旋狀的）和結(jié)構(gòu)，且可以控制得到直徑尺寸均勻甚至取向一致的碳納米管，這就為其形成機(jī)制、性能及應(yīng)用等方面的研究提供了條件。但是，由于反應(yīng)溫度低，制得的碳納米管層數(shù)多，石墨化程度較差，存在較多的結(jié)晶缺陷，有時(shí)管壁有無定形炭，這些對碳納米管的力學(xué)性能及物理化學(xué)性能會(huì)有不良的影響。2.3燃燒法制備富勒烯苯燃燒法是1991美國麻省理工學(xué)院Howard等人發(fā)明的,該法是將苯蒸氣和氧氣混合后，在燃燒室低壓環(huán)境（約5132kPa）下不完全燃燒，所得的炭灰中含有較高比例的富勒烯，經(jīng)分離精制后可以得到純富勒烯產(chǎn)物。因?yàn)闊o需消耗電力且連續(xù)進(jìn)料

8、容易等優(yōu)點(diǎn)，苯燃燒法的工業(yè)化生產(chǎn)具有較明顯的成本優(yōu)勢，已成為國際上工業(yè)化生產(chǎn)富勒烯的主流方法。燃燒法形成富勒烯一個(gè)很重要的過程是在高溫下有五元環(huán)和六元環(huán)結(jié)構(gòu)的存在，當(dāng)五元環(huán)和六元結(jié)合時(shí)就會(huì)發(fā)牛卷曲，從而形成籠狀結(jié)構(gòu)。主要有芳繪分步反應(yīng)機(jī)理、“拉鏈”機(jī)理、凝聚相機(jī)