碳基纳米管的生长机理、结构调控及能源导向的功能化研究

关键 词 碳 基 纳 米管
生长 机 理
掺 杂 能 源 导 向 的功 能化
燃 料 电池 电极 催 化剂
简 要 介绍 了 以苯 为 原 料 生长碳 纳米 管 的六 元 环 机 理 ， 用 该 机 理 的 基 本 思 想 设 计 制 备 了 Ｎ， 运 Ｂ掺 杂 的碳 基 纳 米 管， 方便 地构 建 了高分 散 的铂 基 纳 米复 合 催化 剂 ， 燃 料 电池 电极催 化 反 应 （ 在 甲醇 氧化 、 还原 ） 氧 中具 有 优 良的 电 催 化
的官 能 团 虽 增 强 了催 化 活 性 物 种 一 体 之 间 的 相 互 作 载
用 ， 且 调 变 了 其 催 化 性 能 ， 对 这 种 调 变 效 应 的本 质 并 但
金刚石 石擞 石鹗烯
还 难 以 深 刻 认 识 ， 种 修 饰 过 程 也 难 以 做 到 精 细 的 这
调控 。
解 决 上述 瓶 颈 问题 的一 条 可 能 的 途 径 是 ： 通过 在分 子层 次 上认 识 碳 纳米 管 的生 长 过 程 和 机 理 ， 现碳 基 纳 实
碳纳米管 Ｃ０ ６
米 管结 构 和成 分 的有 效 调 控 ， 利用 其 结 构 和 成 分 的 特 并 点 ， 计 和 构 建 碳 基 纳米 管 复 合 催 化 剂 ， 索 并 实 现 特 设 探
Ｒｅ ｉ ｗ ｔｃ ｅ ｖ ｅ Ａｒ ｉｌ
Ｃｈ ｎ ｓ ｏ ｒ ａ ｆ Ｎａ ｕ ｅ Ｖｏ． ３ Ｎｏ ４ ｉｅｅＪ ｕ ｎ ｌｏ ｔｒ １３ ．
碳 基 纳 米 管 的生 长 机 理 、 构 调 控 及 能源 导 向的 结 功 能化 研 究 ＊
胡 征
教 授 ， 京 大 学 化 学 化 工 学 院介 观 化 学 教 育部 重 点 实验 室 ， 京 ２ ０ ９ 南 南 １０ ３ ＊国 家 自然 科 学 基 金 重 点 项 目（ ０ ３ ０ ２ ； 米 研 究 重 大 科 学 研 究 计 划 项 目 （０ ７ Ｂ ３ ３ ２ ２８３０） 纳 ２ ０ Ｃ ９６ ０ ）
它 提 供 了人 们早 就 熟悉 的金 刚 石 和 石 墨 、 年 发 现 的 以 近 Ｃ６ ０为代 表 的富勒 烯 和 碳 纳 米 管 、 及 最新 发 现 的 石 墨 以 烯 （ ａｈｎ） Ｇｒ ｐ ｅ ｅ 。这 些 碳 材 料 几 乎 拥 有 人 们 所 需 的 各 种
性 质 。碳 的 丰 富 结 构 和 性 能 源 于 其 独 特 的 电 子 结 构 。
性能。富电子 Ｎ或缺 电子 Ｂ的掺杂均可将碳纳米管转变为优 良的无金属氧还原催化剂。这些研 究为设计和开发替
代 或优 化 利 用贵 金 属 的高 性 能燃 料 电池 催 化剂 提供 了新 的 思 路 、 法 和途 径 ， 示 了碳 基 纳米 管在 新 型 能 源 材 料 领 方 展 域 的广 阔 前 景 ， 体现 了基础 研 究 在科 技 创新 中的重 要 作 用 。 也 壁偏 正 电性 ， 壁 偏 负 电性 。这 种 新 颖 独 特wenku.baidu.com的结 构 使 碳 外 纳米 管具 有一 系列 优异 的性 质 和广 阔 的应 用 前景 。 经过近 ２ ０年 的不 懈 努 力 ， 碳 纳 米 管 的 制 备 科 学 在 和结 构 （ 含孔 结 构 ） 控 以及 碳 纳 米 管 物 理 性 能 （ 光 、 调 如 电 、 等 性 能） 化 学 性 能 （ 吸 附 和 催 化 性 能 ） 方 面 磁 和 如 等 的 研究 均 取得 了重 大进 展 。在 多 相 催 化 研 究 领 域 ， 用 利 碳 纳米 管 独特 的 电子 性 质 和 其 准 一 维 孔 道 限 阈 效 应 的 特点 ， 别是通过调 变和修饰碳纳米管一 维纳米结构 ， 特 进 行新 型 碳基 纳 米 复 合催 化 剂 材 料 的设 计 和开 发 ， 已成
入催 化 活性 物 种 以 实 现 其 催 化 功 能 化 。后 处 理 所 嫁 接
结构 （ １ ， 图 ） 每个碳 原子 以 ｓ２ 化轨 道 和相 邻 三 个 碳原 ｐ杂
子相 连 （ 石 墨相 似 ） 剩余 的 Ｐ轨 道 在 纳 米 管 的外 壁 和 与 ，
内腔形成 键 。 由于 管 状 卷 曲对 轨 道 的挤 压 ， 腔 内 管
定 的催 化 功 能 及 应 用 。本 文 简 要 介 绍 我 们 研 究 小 组 在
现 的碳纳 米管 可看 成是 由石 墨层 面卷 曲 而成 的管 状 纳米
但 是 ， 纳 米管 作 为催 化 剂 （ 载 体 ） 料 的基 础 和 应 用 碳 含 材 研 究 也存 在 着一 些 制 约其 发 展 的瓶 颈 问题 ， 些 问题 集 这 中表 现 在 两 个 方 面 ： 一 ， 其 目前 还 不 能从 分 子 层 次 上 清 楚 地认 识 碳 纳米 管 的 生长 机 理 ， 难 以实 现 碳 纳 米 管 的 故 可 控 合成 、 效 掺杂 和 性 能调 控 ； 二 ， 纳 米 管 表 面化 有 其 碳 学 惰 性 ， 常需 经 复 杂 的处 理 、 接 特 定 的 官 能 团和 引 通 嫁
碳 是 第 ６ 元 素 ， 外 层 的 四个 价 电 子 可 以 ｓ０ ｓ２及 号 最 ｐ， ｐ
ｓ ｐ杂化 轨 道 分 别 形 成 稳定 的单 键 、 键 和 叁键 （ ２ 见 双 图 ，
封二 ） 还可 与各 种 原 子 形 成共 价 键 ， 而形 成 其 结 构 和 ， 从
性能 的多 样性 。其 中 ， ９ １年 日本 科 学 家 Ｉｉ １９ ｉｍａ教 授 发 ｊ
为 当代 材 料科 学 和 催 化化 学 交 叉 的前 沿 研 究 领 域 之 一 。
碳 是 一 个 神 奇 的元 素 。地 球 上 的 生 命 都 是 以碳 元 素 为基 础 的 ， 构 成 了生 命 的骨 架 。碳 又是 周 期 表 中 唯 它
一
具 有零 维 、 一维 、 二维 、 维 同素 异形 体 的元 素 （ １ ， 三 图 ）