氮参杂量对碳纳米笼在锂电负极应用的影响(3)

菜单

C60 的球棒模型图[8]

由于富勒烯具有良好的特性：超导，强磁，安全无毒，溶于常规溶剂，耐高压，抗氧化，所以在抗HIV，抑制酶活性等生物制药，光学，磁学，电化学，能源材料[9]等领域有巨大的应用前景。科学家们将富勒烯推向了一个崭新的时代。

1.2.3 碳纳米管

继富勒烯之后，另一种新型碳材料——碳纳米管（CNT）也问世了。碳纳米管是由石墨的一层碳原子卷曲，而成的中空、无缝的管体。碳纳米管的发现过程是一个神奇的巧合，1991年由日本科学家S. Iijima[10]在制备巴基球时偶然发现的，故又名“巴基管”。后来S. Iijima借助HTEM，研究石墨电弧设备的产物时，意外发现了由管状的同轴纳米管组成的碳分子，即碳纳米管。由于其独特的结构，碳纳米管是理想的一维模型材料，碳纳米管的研究论文网，具有重大的理论意义和潜在的价值。图1.3为Iijima发现的碳纳米管的TEM照片。

Iijima发现的碳纳米管的TEM照片[10]

1.2.4 碳纳米笼

碳纳米笼是一种由环状碳原子组成的球形中空的碳纳米材料。原本是作为制备碳纳米管的副产物出现的，未被科学家们重视。但近年来，科学家对碳纳米笼的研究越来越深入，逐渐意识到碳纳米笼特有的多孔中空的结构[11]，可以极大地提高比表面积，相比C60具有更优良的性能，在许多新兴领域有巨大的应用前景和潜在价值[12]，例如锂离子电池[13]、药物载体、储氢材料、燃料电池催化剂等领域。

1.2.5 石墨烯

过去，人们一直误以为二维晶格构成的物质不会稳定存在。直到2004年科学家成功制备了二维石墨烯，从现实中找到了依据，从而科学地推翻了先前的论断。石墨烯[14]是由一层层蜂窝状，有序排列的，平面碳原子堆叠而成的，一种二维晶体，不同于现存的富勒烯，碳纳米管，石墨等结构。由于石墨烯特有的结构使其具有比其他碳材料具有更加优良的性能，例如，极高的比表面积、超强的导电性、强硬度高、防腐蚀等等，所以自问世以来，一直是科学家们研究的热点，被广泛应用在智能手机，LED显示屏等电子产业。除此之外，在分子检测，药物运输[15]等生物医药领域，也拥有较好的发展前景。不仅如此，石墨烯也常常用在海洋防腐，金属防腐等传统工业方面，有助于人们解决能源材料问题。

石墨烯和其他碳材料之间关系示意图[14]

1.3 碳纳米笼

1.3.1 碳纳米笼的特征

碳纳米笼是一种新型的纳米材料，由于其独有的空心笼状结构，使得碳纳米笼相比其它碳纳米材料拥有不可比拟的特殊性能，因此越来越多的科学家们从事研究这一新兴领域。

材料的结构决定性质，从而影响使用性能。首先，碳纳米笼的空心笼状结构，决定了其拥有较低的密度。其次，特殊的多空表面结构使其具有较高的比表面积，导电性好，耐腐蚀，提高了生物兼容性[14-16]。

1.3.2 碳纳米笼的制备

作为一种非常重要的碳纳米材料——碳纳米笼，其制备方法也多种多样，已开发的制备方法有电弧法，化学气相沉积法，等离子聚合法，激光蒸发法，模板法等其他方法。结合具体情况，这些各式各样的方法适用于制备不同的碳纳米笼，但其原理是共通的，先制备外层为碳，内部核心为金属或非金属的纳米颗粒，然后采用不用的物理化学方法除去内部金属或非金属核心，从而得到中空笼状结构的碳纳米笼[17]。

（1）电弧法

自1908年发现了电弧的存在以来，科学家们就开始研究电弧及其相关应用。1990年，W.Krastschmer等，利用电弧蒸发石墨电极，成功制备出了C60。1993年，美国科学家[18]利用电弧法，得到了碳包裹金属核壳结构的纳米粒子。1995年科学家[19]又将非金属硼填充进碳笼，制备了B/C核壳结构的纳米颗粒。1998年科学家Yahachi Saito[20]以开创性的思维，借助电弧法制备了形状独特的立方状结构的CNCs。