如图1.1[7]可见金刚石和石墨的原子排布。因为结构的差异，金刚石和石墨会表现出极为不同的性能。呈层状结构的石墨具有良好的润滑能力，这是因为它片层间是通过较弱的范德华力连接的，键能非常小，从而导致片层间极易发生滑动，哪怕受到一点点的力。相反，金刚石由于结构的特点，具有极高的溶点和硬度。这是由于其整体是通过共价键进行原子间的连接，众所周知，共价键的键很难断裂，因为它的键能非常大。所以两者因为性能的差异，在其应用方面也会展现出不同，石墨在人们日常生产生活中起着非常重要的作用，一般应用于润滑、导热材料、催化剂载体以及电极材料等方面。在自然界中，金刚石则是已知的硬度最大的物质，同时其光学性质也非常优异，因此在光学及刀具方面得到广泛应用，另外，金刚石也具有较高的观赏价值，尤其是天然的金刚石[7]。

 两种常见碳晶体的结构示意图：（a）金刚石；(b)石墨[7]

1.2 碳的同素异形体

碳的同素异形体的发现是众多科研者共同努力所得的结果，为人们开拓了更为宽广的空间，进行各类生产活动以及深度研究。

富勒稀，又名C60，为碳的同素异形体之一，由60个碳原子构成32面体，类似足球的球型。在1985年，美国科学家Smalley携手英国科学家Kroto进行用激光蒸发石墨电极的实验，当他们研究灰烬中的产物时，意外发现了富勒稀，在发现C60以来的短短10年中，科学理论不断被丰富，实际生产效益也不断被强化，在物理、化学、医学、材料化学等领域已经得到了广泛的应用，应用前景十分广阔[10,12,22]。论文网

碳纳米管，由一堆量子材料组成，具有特殊结构，由日本电镜专家S.Iijima于1991年发现。拥有纳米级的径向尺寸和微米量级的轴向尺寸，且管子两端基本上都封口，其力学性能很强，导电性很好，并且有着优良的传热和光学等性质，在各类研究领域得到了很好的应用[10,12]。

石墨烯，又名单原子层石墨，由碳原子形成，结构为二维蜂窝状平面网状结构，杂化方式为以sp2杂化，并且只有一个原子层厚度，由A.K.Geim和K.S.Novoselov在2004年通过逐层剥离石墨层制备而得，并且获得了诺贝尔奖。石墨烯的拉伸强度很高，是因为通过强共价键将碳原子之间进行连接。另一方面，人们发现富勒烯可以由石墨烯包覆而成，碳纳米管可以由石墨烯卷曲成，石墨也可以由石墨烯堆叠而成，因此石墨烯也可作为基本单元来构成其他碳同素异形体。石墨稀的制备成功掀起了新一轮研究碳纳米材料的高潮。

C60、单壁碳纳米管以及石墨烯的原子排布如图1.2[7]所示。

C60（a），单壁碳纳米管（b）和石墨稀（c）的结构示意图[7]

不仅如此，其他各种形态的碳材料也被人们通过不同手段逐渐被合成，如碳纳米环（carbon nanoring），碳纳米笼（carbon nanocage）等。碳元素在人们认知中日趋完整，更为碳材料的应用开拓了新的天地[7，10]。

1.3 碳纳米笼简介

纵观所有的碳纳米材料，作为一种新颖的碳纳米材料的碳纳米笼，其纳米尺度和空心结构甚是独特，并引起了众多科研人员的潜心研究，其广阔的应用潜能在很多领域都能展现出。最初，人们过于注重碳纳米管的研究，过于忽视了碳纳米笼，在碳纳米管制备的过程中，产生的碳包金属的碳纳米笼，被看作是一种杂质。慢慢地，人们才逐渐发现了碳纳米笼的独特之处，并为之惊叹，碳纳米笼才越来越为科研工作者所推崇，真正走入了研究的主流，显现了其应有的价值[6,10,12,13,14]。 

碳纳米笼相比较于C60，由于其拥有碳原子更多和直径更大，因而具有更多的独特性能，例如：较低的密度、较强的耐腐烛能力、较高的比表面积、独特的多孔结构、生物兼容性好、导电率好等特性，因此，锂电池的应用，作为药物的载体、净化环境、存储数据等很多领域都有广阔的应用潜能[7]。近年来，人们在研究催化剂载体时，惊奇地发现碳纳米笼在这方面有着独特的优势，因此人们开始进行碳纳米笼应用在燃料电池领域的研究，结果也是十分地理想。碳纳米笼也因其所具有的性能优异，应用前景十分广阔，所以进一步研究碳纳米笼有着非常重要的科研意义和价值，例如：探索合成碳纳米笼的有效方法、研究其生长机理等[7,10,17,18]。