碳微球表面化学

出版时间：2012-4  出版社：化学工业出版社  作者：杨永珍  页数：141  

前言

碳材料是与人类文明进步息息相关的重要材料，各种不同形态的碳单质以及碳化合物在人类社会的发展中做出了巨大的贡献。除金刚石、无定形碳和石墨以外，1985年笼型碳分子C60的发现和1990年C60的宏量制备引发了国际性富勒烯的研究热潮，推动了碳纳米管和洋葱状富勒烯（onion likefullerenes，OLFs）等数种具有特殊结构和性质的新型碳材料的发现，开辟了全新的科学研究领域。 富勒烯是笼状碳原子簇的总称，其特殊的结构，昭示着其具有奇特的物理、化学性能。OLFs自1992年被Ugarte教授报道后，已引起全世界科学家的广泛关注和极大兴趣。它是继C60、碳纳米管之后，富勒烯家族中的又一新成员，其理想模型是由若干层以C60为核心的同心石墨球壳层组成较大的碳原子团簇，最内层由60个碳原子组成，各层碳原子数按60n2（n为层数）递增，层与层间距约0 34nm。 近年来，尺寸大小（从纳米级到微米级）和结构不同的OLFs类球形碳材料已经成功地通过不同的方法制备出来，大大丰富了碳材料的研究领域。碳微球（carbonmicrobeads，CMBs）可以称为石墨化程度不高的长大的OLFs，直径在100nm～1μm之间，且有独特的结构和优异的物化性能，如化学稳定性、热稳定性、低密度、优良的导电和导热性等；功能化的CMBs还具有某些特殊的催化、磁学、电学和光学性能，主要应用于增强复合材料、锂离子电池电极材料、催化剂载体、吸附材料、光伏材料、响应性材料、生物医疗材料等方面，也是一种具有极大开发潜力和应用前景的碳材料。 但是，CMBs的化学性质非常稳定，不溶于水和有机溶剂，常规制备方法得到的CMBs团聚现象严重，极大地限制了其在水相、有机相中的分散性能，对其功能化反应造成了很大的障碍，从而限制了其在光电材料、生物医学、化学工业等领域的应用。因此，对CMBs进行表面化学设计，改善其表面活性，进而改善其物化性能，是功能性材料应用的基础。改善其表面的亲水性、亲油性，改善CMBs与聚合物及其他材料的相容性，提高CMBs的分散性或在基体中的分散性，是其应用基础研究中的一个重大课题。 近年来，作者所在课题组围绕CMBs及其他OLFs类纳米碳材料的制备、表面化学设计、功能化应用等课题已进行和正在进行比较系统的探索。本书的主要内容是从OLFs类碳材料的结构、特点出发，基于CMBs的制备、改性、性能和应用，总结作者攻读博士学位以来，作者和团队在CMBs及其相关的研究成果和展望，详细介绍了CMBs的气相沉积法可控制备和其功能化，以作为吸附、光电、催化材料等，并预测了其应用前景。同时也介绍了国内外在此方面的相关内容，每章均列出了参考文献，在此向原著及出版机构表示衷心的感谢！ 这些研究成果是在国家‘973’计划课题（2004CB217808）、国家自然科学基金（20471041，20676086，20971094，21176169，51152001，51002102）、教育部长江学者与创新团队支持计划（IRT0972）、国家科技部国际科技合作项目（2007DFA50940）、教育部博士点基金资助项目（20101402110007）、山西省自然科学基金（20090110124）、山西省国际科技合作项目（2009081018，2009081046，2010081017）、山西省回国留学人员科研项目（2008 31）、山西省青年科技研究基金（2009021026）、太原市科技明星专项（08121024）等基金的支持下获得的，特此致谢！ 在书稿即将付梓之际，内心的涟漪亦无法平息，有不少可敬的师长、同学、朋友和学生给予了鼎力支持，不免有太多的感激。想起几年来的点点滴滴，想起恩师许并社教授和刘旭光教授，他们对科学的执著和无私的奉献，深深地影响和激励着我，没有他们就没有现在的我，在此衷心地致以敬谢！ 在本书编写过程中，刘旭光教授和贾虎生教授给予我很大的支持和精心的指导！书中的数据和资料涉及到团队成员韩培德教授、郭兴梅副教授、张竹霞、马非、李兰松、赵雪霞、蔺娴、郭俊杰、吉卫云、张春一、王存景、刘红艳、文海荣、罗秋苹、杨晓伟、郭明聪、任文芳、金琳、李莎、韩艳星、刘伟峰、段菲菲、赵慧君、张燕、宋静静等人的研究工作，在此一并表示感谢！ 感谢太原理工大学新材料界面科学与工程教育部重点实验室、新材料工程技术研究中心、材料科学与工程学院、科技处老师和同仁的大力相助！ 由于作者水平所限，难免有不当之处；且CMBs的研究日新月异，书中难免有疏漏之处，恳请专家和读者批评指正。 编者 2012年1月于太原理工大学

内容概要

　　本书在了解国内外碳微球研究进展的基础上，结合作者和团队在研究碳微球及洋葱状富勒烯类碳材料的制备、性能和应用的成果，进行总结编写而成。从碳微球的结构、性能及应用出发，详细介绍了碳微球的气相沉积法制备及其功能化，以及作为吸附、光电、催化材料等，并预测了其应用前景。希望本书能使从事碳材料研究与开发的科研工作者、研究生和相关人士对包括碳微球在内的洋葱状富勒烯类碳材料有一个系统深入的了解，推动碳材料的研究和应用。

书籍目录

第1章绪论
　1.1碳微球制备
　1.1.1直接热缩聚法
　1.1.2乳化法
　1.1.3悬浮法
　1.1.4化学气相沉积法
　1.1.5溶剂热法
　1.1.6模板法
　1.1.7其他方法
　1.2碳微球性能和应用
　1.2.1高密度高强度碳复合材料
　1.2.2催化剂载体
　1.2.3锂离子电极材料
　1.2.4吸附材料
　1.2.5用作电化学电容器的电极材料
　1.2.6光电材料
　1.2.7光伏材料
　1.2.8环境响应性材料
　1.2.9作为模板制备空心球状材料
　1.2.10其他应用
　1.3碳微球表面改性
　1.3.1碳微球表面改性的作用和意义
　1.3.2改性方法
　参考文献
　
第2章碳微球的化学气相可控制备
　2.1实心碳微球
　2.1.1反应温度的影响
　2.1.2氩气流量的影响
　2.1.3反应区域的影响
　2.1.4催化剂和载气种类的影响
　2.2石墨微球
　2.3中空碳微球
　2.3.1结构分析
　2.3.2生长机理
　参考文献
　
第3章碳微球表面活化
　3.1酸处理法
　3.1.1热酸氧化法
　3.1.2紫外辐照混酸氧化法
　3.2离子化法
　3.3高锰酸钾活化
　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等离子体氧化法
　3.4.2酸蒸气活化法
　参考文献
　
第4章碳微球表面分子印迹材料
　4.1原位聚合法合成表面分子印迹材料（MIP.PMAA/CMBs）
　4.1.1MIP.PMAA/CMBs合成
　4.1.2吸附性能评价
　4.2引发转移终止接枝聚合法合成（MIP.PMAA/CMBs）
　4.2.1MIP.PMAA/CMBs合成
　4.2.2吸附性能测定
　4.3传统接枝聚合法合成表面分子印迹材料（MIP.PAMPS/CMBs）
　4.3.1MIP.PAMPS/CMBs合成
　4.3.2动态吸附性能评价
　4.4潜在方法
　4.4.a1可逆加成.断裂链转移法合成碳微球表面分子印迹材料
　4.4.2多孔碳微球表面分子印迹材料
　参考文献
　
第5章光电材料
　5.1SiO2包覆碳微球(CMB@SiO2)复合膜
　5.1.1CMB@SiO2复合球合成
　5.1.2CMB@SiO2复合球的自组装
　5.2壳聚糖包覆碳微球(CMB@壳聚糖)复合膜
　5.2.1CMB@壳聚糖复合球合成
　5.2.2CMB@壳聚糖复合球的自组装
　5.3ZnO包覆碳微球(CMB@ZnO)复合膜
　5.4碳微球/聚甲基丙烯酸甲酯复合材料
　5.5碳微球的荧光量子效应及其潜在研究
　5.5.1不同浓度的碳微球及其复合物在乙醇中的荧光性能
　5.5.2不同浓度的碳微球及其复合物在CCl4中的荧光性能
　5.5.3碳微球及其复合物在水中的荧光性能
　参考文献
　
第6章其他潜在的应用
　6.1燃料电池催化材料
　6.2光伏材料
　6.3环境响应性材料
　6.4生物制药材料
　6.5生态材料
　参考文献
　
第7章结语和展望

章节摘录

版权页：   插图：   1．1 碳微球制备 随着球形碳材料研究的深入和对高性能CMBs的需求，人们开发了多种制备方法，最早采用的是直接热缩聚法，后来又开发了乳化法和悬浮法。目前主要有化学气相沉积法、溶剂热法和模板法等。 1．1．1 直接热缩聚法 1974年，Yamada等采用直接热缩聚法把中间相小球从沥青母体中分离出来，并把分离出来的微米级球形材料称之为中间相碳微球（mesocarbon microbeads，MCMBs）。其工艺简单、容易控制、易实现连续生产，但存在收率低、形状和尺寸不均匀等问题。在制备MCMBs时，往往需要加入添加剂促进小球生长，而添加剂残留在小球内部或表面，会影响MCMBs的最终性能。 1．1．2 乳化法 同直接热缩聚法相比，间接法制备的MCMBs缩聚程度高，内部轻组分含量低，而且杂质少、微球尺寸分布窄，因此，可以获得高性能的最终产物。1988年Kodama等[37]提出乳化法制备MCMBs，将软化点在300℃左右的中间相沥青粉碎过筛后溶于一定量的热稳定介质（如硅油）中，在N2吹扫下用超声波搅拌分散，边搅拌边加热（温度在300～400℃），乳化形成悬浊液。然后冷却到室温，通过离心分离从硅油中分离出中间相小球，用苯或丙酮冲洗干燥后得到平均直径为20～30μm的中间相沥青微球。该工艺通过对中间相沥青颗粒的分级可以控制微球的粒径尺寸。但是间接法也有不足之处，即生产过程繁琐、工艺复杂、工业化生产困难。但是对于制备粒径分布窄、球形规整的高性能MCMBs，乳化法有其研究和实用价值，可用于一些MCMBs粒径要求严格的领域，如高性能液相色谱柱填料。 1．1．3 悬浮法 悬浮法是把中间相沥青溶入有机溶剂中，利用表面活性剂与水或其他溶剂组成悬浮液，在一定温度下搅拌，使中间相沥青成球，然后加热除去有机溶剂，冷却、过滤、预氧化、碳化后制得MCMBs。同乳化法相比，在悬浮法制备中加入了表面活性剂等，可有效防止中间相小球的凝结，通过温度和搅拌速率控制，可以有效控制中间相小球尺寸。这种方法与乳化法一样，制备出的MCMBs尺寸分布狭窄，内部轻组分含量低，而且杂质很少，可获得高性能的最终产品；但工艺条件控制难度大，生产过程繁琐。