碳微球表面化學(xué)

前言

碳材料是與人類文明進(jìn)步息息相關(guān)的重要材料，各種不同形態(tài)的碳單質(zhì)以及碳化合物在人類社會的發(fā)展中做出了巨大的貢獻(xiàn)。除金剛石、無定形碳和石墨以外，1985年籠型碳分子C60的發(fā)現(xiàn)和1990年C60的宏量制備引發(fā)了國際性富勒烯的研究熱潮，推動了碳納米管和洋蔥狀富勒烯（onion likefullerenes，OLFs）等數(shù)種具有特殊結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的新型碳材料的發(fā)現(xiàn)，開辟了全新的科學(xué)研究領(lǐng)域。 富勒烯是籠狀碳原子簇的總稱，其特殊的結(jié)構(gòu)，昭示著其具有奇特的物理、化學(xué)性能。OLFs自1992年被Ugarte教授報道后，已引起全世界科學(xué)家的廣泛關(guān)注和極大興趣。它是繼C60、碳納米管之后，富勒烯家族中的又一新成員，其理想模型是由若干層以C60為核心的同心石墨球殼層組成較大的碳原子團(tuán)簇，最內(nèi)層由60個碳原子組成，各層碳原子數(shù)按60n2（n為層數(shù)）遞增，層與層間距約0 34nm。 近年來，尺寸大?。◤募{米級到微米級）和結(jié)構(gòu)不同的OLFs類球形碳材料已經(jīng)成功地通過不同的方法制備出來，大大豐富了碳材料的研究領(lǐng)域。碳微球（carbonmicrobeads，CMBs）可以稱為石墨化程度不高的長大的OLFs，直徑在100nm～1μm之間，且有獨特的結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的物化性能，如化學(xué)穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性、低密度、優(yōu)良的導(dǎo)電和導(dǎo)熱性等；功能化的CMBs還具有某些特殊的催化、磁學(xué)、電學(xué)和光學(xué)性能，主要應(yīng)用于增強(qiáng)復(fù)合材料、鋰離子電池電極材料、催化劑載體、吸附材料、光伏材料、響應(yīng)性材料、生物醫(yī)療材料等方面，也是一種具有極大開發(fā)潛力和應(yīng)用前景的碳材料。 但是，CMBs的化學(xué)性質(zhì)非常穩(wěn)定，不溶于水和有機(jī)溶劑，常規(guī)制備方法得到的CMBs團(tuán)聚現(xiàn)象嚴(yán)重，極大地限制了其在水相、有機(jī)相中的分散性能，對其功能化反應(yīng)造成了很大的障礙，從而限制了其在光電材料、生物醫(yī)學(xué)、化學(xué)工業(yè)等領(lǐng)域的應(yīng)用。因此，對CMBs進(jìn)行表面化學(xué)設(shè)計，改善其表面活性，進(jìn)而改善其物化性能，是功能性材料應(yīng)用的基礎(chǔ)。改善其表面的親水性、親油性，改善CMBs與聚合物及其他材料的相容性，提高CMBs的分散性或在基體中的分散性，是其應(yīng)用基礎(chǔ)研究中的一個重大課題。 近年來，作者所在課題組圍繞CMBs及其他OLFs類納米碳材料的制備、表面化學(xué)設(shè)計、功能化應(yīng)用等課題已進(jìn)行和正在進(jìn)行比較系統(tǒng)的探索。本書的主要內(nèi)容是從OLFs類碳材料的結(jié)構(gòu)、特點出發(fā)，基于CMBs的制備、改性、性能和應(yīng)用，總結(jié)作者攻讀博士學(xué)位以來，作者和團(tuán)隊在CMBs及其相關(guān)的研究成果和展望，詳細(xì)介紹了CMBs的氣相沉積法可控制備和其功能化，以作為吸附、光電、催化材料等，并預(yù)測了其應(yīng)用前景。同時也介紹了國內(nèi)外在此方面的相關(guān)內(nèi)容，每章均列出了參考文獻(xiàn)，在此向原著及出版機(jī)構(gòu)表示衷心的感謝！ 這些研究成果是在國家‘973’計劃課題（2004CB217808）、國家自然科學(xué)基金（20471041，20676086，20971094，21176169，51152001，51002102）、教育部長江學(xué)者與創(chuàng)新團(tuán)隊支持計劃（IRT0972）、國家科技部國際科技合作項目（2007DFA50940）、教育部博士點基金資助項目（20101402110007）、山西省自然科學(xué)基金（20090110124）、山西省國際科技合作項目（2009081018，2009081046，2010081017）、山西省回國留學(xué)人員科研項目（2008 31）、山西省青年科技研究基金（2009021026）、太原市科技明星專項（08121024）等基金的支持下獲得的，特此致謝！ 在書稿即將付梓之際，內(nèi)心的漣漪亦無法平息，有不少可敬的師長、同學(xué)、朋友和學(xué)生給予了鼎力支持，不免有太多的感激。想起幾年來的點點滴滴，想起恩師許并社教授和劉旭光教授，他們對科學(xué)的執(zhí)著和無私的奉獻(xiàn)，深深地影響和激勵著我，沒有他們就沒有現(xiàn)在的我，在此衷心地致以敬謝！ 在本書編寫過程中，劉旭光教授和賈虎生教授給予我很大的支持和精心的指導(dǎo)！書中的數(shù)據(jù)和資料涉及到團(tuán)隊成員韓培德教授、郭興梅副教授、張竹霞、馬非、李蘭松、趙雪霞、藺嫻、郭俊杰、吉衛(wèi)云、張春一、王存景、劉紅艷、文海榮、羅秋蘋、楊曉偉、郭明聰、任文芳、金琳、李莎、韓艷星、劉偉峰、段菲菲、趙慧君、張燕、宋靜靜等人的研究工作，在此一并表示感謝！ 感謝太原理工大學(xué)新材料界面科學(xué)與工程教育部重點實驗室、新材料工程技術(shù)研究中心、材料科學(xué)與工程學(xué)院、科技處老師和同仁的大力相助！ 由于作者水平所限，難免有不當(dāng)之處；且CMBs的研究日新月異，書中難免有疏漏之處，懇請專家和讀者批評指正。 編者 2012年1月于太原理工大學(xué)

內(nèi)容概要

　　本書在了解國內(nèi)外碳微球研究進(jìn)展的基礎(chǔ)上，結(jié)合作者和團(tuán)隊在研究碳微球及洋蔥狀富勒烯類碳材料的制備、性能和應(yīng)用的成果，進(jìn)行總結(jié)編寫而成。從碳微球的結(jié)構(gòu)、性能及應(yīng)用出發(fā)，詳細(xì)介紹了碳微球的氣相沉積法制備及其功能化，以及作為吸附、光電、催化材料等，并預(yù)測了其應(yīng)用前景。希望本書能使從事碳材料研究與開發(fā)的科研工作者、研究生和相關(guān)人士對包括碳微球在內(nèi)的洋蔥狀富勒烯類碳材料有一個系統(tǒng)深入的了解，推動碳材料的研究和應(yīng)用。

書籍目錄

第1章緒論
　1.1碳微球制備
　1.1.1直接熱縮聚法
　1.1.2乳化法
　1.1.3懸浮法
　1.1.4化學(xué)氣相沉積法
　1.1.5溶劑熱法
　1.1.6模板法
　1.1.7其他方法
　1.2碳微球性能和應(yīng)用
　1.2.1高密度高強(qiáng)度碳復(fù)合材料
　1.2.2催化劑載體
　1.2.3鋰離子電極材料
　1.2.4吸附材料
　1.2.5用作電化學(xué)電容器的電極材料
　1.2.6光電材料
　1.2.7光伏材料
　1.2.8環(huán)境響應(yīng)性材料
　1.2.9作為模板制備空心球狀材料
　1.2.10其他應(yīng)用
　1.3碳微球表面改性
　1.3.1碳微球表面改性的作用和意義
　1.3.2改性方法
　參考文獻(xiàn)
　
第2章碳微球的化學(xué)氣相可控制備
　2.1實心碳微球
　2.1.1反應(yīng)溫度的影響
　2.1.2氬氣流量的影響
　2.1.3反應(yīng)區(qū)域的影響
　2.1.4催化劑和載氣種類的影響
　2.2石墨微球
　2.3中空碳微球
　2.3.1結(jié)構(gòu)分析
　2.3.2生長機(jī)理
　參考文獻(xiàn)
　
第3章碳微球表面活化
　3.1酸處理法
　3.1.1熱酸氧化法
　3.1.2紫外輻照混酸氧化法
　3.2離子化法
　3.3高錳酸鉀活化
　3.3.1KMnO4氧化
　3.3.2KMnO4/HNO3氧化
　3.3.3KMnO4/H2SO4氧化
　3.4其他表面活化法
　3.4.1等離子體氧化法
　3.4.2酸蒸氣活化法
　參考文獻(xiàn)
　
第4章碳微球表面分子印跡材料
　4.1原位聚合法合成表面分子印跡材料（MIP.PMAA/CMBs）
　4.1.1MIP.PMAA/CMBs合成
　4.1.2吸附性能評價
　4.2引發(fā)轉(zhuǎn)移終止接枝聚合法合成（MIP.PMAA/CMBs）
　4.2.1MIP.PMAA/CMBs合成
　4.2.2吸附性能測定
　4.3傳統(tǒng)接枝聚合法合成表面分子印跡材料（MIP.PAMPS/CMBs）
　4.3.1MIP.PAMPS/CMBs合成
　4.3.2動態(tài)吸附性能評價
　4.4潛在方法
　4.4.a1可逆加成.斷裂鏈轉(zhuǎn)移法合成碳微球表面分子印跡材料
　4.4.2多孔碳微球表面分子印跡材料
　參考文獻(xiàn)
　
第5章光電材料
　5.1SiO2包覆碳微球(CMB@SiO2)復(fù)合膜
　5.1.1CMB@SiO2復(fù)合球合成
　5.1.2CMB@SiO2復(fù)合球的自組裝
　5.2殼聚糖包覆碳微球(CMB@殼聚糖)復(fù)合膜
　5.2.1CMB@殼聚糖復(fù)合球合成
　5.2.2CMB@殼聚糖復(fù)合球的自組裝
　5.3ZnO包覆碳微球(CMB@ZnO)復(fù)合膜
　5.4碳微球/聚甲基丙烯酸甲酯復(fù)合材料
　5.5碳微球的熒光量子效應(yīng)及其潛在研究
　5.5.1不同濃度的碳微球及其復(fù)合物在乙醇中的熒光性能
　5.5.2不同濃度的碳微球及其復(fù)合物在CCl4中的熒光性能
　5.5.3碳微球及其復(fù)合物在水中的熒光性能
　參考文獻(xiàn)
　
第6章其他潛在的應(yīng)用
　6.1燃料電池催化材料
　6.2光伏材料
　6.3環(huán)境響應(yīng)性材料
　6.4生物制藥材料
　6.5生態(tài)材料
　參考文獻(xiàn)
　
第7章結(jié)語和展望

章節(jié)摘錄

版權(quán)頁：   插圖：   1．1 碳微球制備 隨著球形碳材料研究的深入和對高性能CMBs的需求，人們開發(fā)了多種制備方法，最早采用的是直接熱縮聚法，后來又開發(fā)了乳化法和懸浮法。目前主要有化學(xué)氣相沉積法、溶劑熱法和模板法等。 1．1．1 直接熱縮聚法 1974年，Yamada等采用直接熱縮聚法把中間相小球從瀝青母體中分離出來，并把分離出來的微米級球形材料稱之為中間相碳微球（mesocarbon microbeads，MCMBs）。其工藝簡單、容易控制、易實現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)，但存在收率低、形狀和尺寸不均勻等問題。在制備MCMBs時，往往需要加入添加劑促進(jìn)小球生長，而添加劑殘留在小球內(nèi)部或表面，會影響MCMBs的最終性能。 1．1．2 乳化法 同直接熱縮聚法相比，間接法制備的MCMBs縮聚程度高，內(nèi)部輕組分含量低，而且雜質(zhì)少、微球尺寸分布窄，因此，可以獲得高性能的最終產(chǎn)物。1988年Kodama等[37]提出乳化法制備MCMBs，將軟化點在300℃左右的中間相瀝青粉碎過篩后溶于一定量的熱穩(wěn)定介質(zhì)（如硅油）中，在N2吹掃下用超聲波攪拌分散，邊攪拌邊加熱（溫度在300～400℃），乳化形成懸濁液。然后冷卻到室溫，通過離心分離從硅油中分離出中間相小球，用苯或丙酮沖洗干燥后得到平均直徑為20～30μm的中間相瀝青微球。該工藝通過對中間相瀝青顆粒的分級可以控制微球的粒徑尺寸。但是間接法也有不足之處，即生產(chǎn)過程繁瑣、工藝復(fù)雜、工業(yè)化生產(chǎn)困難。但是對于制備粒徑分布窄、球形規(guī)整的高性能MCMBs，乳化法有其研究和實用價值，可用于一些MCMBs粒徑要求嚴(yán)格的領(lǐng)域，如高性能液相色譜柱填料。 1．1．3 懸浮法 懸浮法是把中間相瀝青溶入有機(jī)溶劑中，利用表面活性劑與水或其他溶劑組成懸浮液，在一定溫度下攪拌，使中間相瀝青成球，然后加熱除去有機(jī)溶劑，冷卻、過濾、預(yù)氧化、碳化后制得MCMBs。同乳化法相比，在懸浮法制備中加入了表面活性劑等，可有效防止中間相小球的凝結(jié)，通過溫度和攪拌速率控制，可以有效控制中間相小球尺寸。這種方法與乳化法一樣，制備出的MCMBs尺寸分布狹窄，內(nèi)部輕組分含量低，而且雜質(zhì)很少，可獲得高性能的最終產(chǎn)品；但工藝條件控制難度大，生產(chǎn)過程繁瑣。

圖書封面

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