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煤基功能性纳米微米炭素材料的研究 邱介山 大连理工大学炭素材料研究室，大连理工大学精细化工国家重点实验室，大连116012 关键词：煤；碳；纳米材料；微米材料；复合结构；制备合成；应用 具有独特结构和功能的纳米和微米炭材料是目前国内外高度关注的一类新型功 能材料，其可控和廉价批量制备是当今材料化工研究领域的前沿和热点之一。如何 根据具体的应用需求，设计结构新颖、形貌独特的纳米和微米材料，并在制备过程 中实现对其结构形貌、物质组成的准确控制，进而对其本征性能进行调变，是材料 化工领域的科技工作者面临的一个巨大挑战。 材料化工科学领域的进展在很大程度上影响着现代纳米科技发展的进程。如何 通过简单的方法，利用廉价的原料制备出性能优异的纳米和微米材料，一直是人类 孜孜不倦追求的目标，这不仅是材料化工学科自身发展的内在驱动力，更是其他相 关学科领域发展的基石。 过去十几年间，我们一直致力于煤基功能性炭素材料的研究，以储量丰富的煤 炭作为碳源前躯体，在纳米和微米功能性炭材料的创制及其应用途径的揭示等方面 开展了大量的工作，获得了一系列有价值的新颖结果，这些工作加深了对电弧等离 子体条件下煤基富勒烯和碳纳米管生长机理的深入理解，为传统煤化学化工向“煤 化工精细化”的发展奠定了初步的基础。本文就煤基纳米和微米炭材料的代表性研 究成果进行总结和汇报，主要内容包括： (1) 不同形态煤基碳纳米管的结构选择制备，包括多壁纳米碳管、单壁纳米碳管、 双壁纳米碳管、Y-型纳米碳管； (2) 一维碳-金属复合功能材料的制备，包括Cu 和LnF3@CNT 纳米电缆等； (3) 微米炭材料的选控制备，包括微米炭纤维、微米树等； (4) 煤基纳米和微米炭材料的应用潜力和前景，包括吸附、催化、生物大分子的 分析等。 通过调变反应条件如催化剂种类、缓冲气氛种类及压力等制备得到形态结构各 异的碳纳米管如 DWNTs 、MWNTs 、Y-MWNTs 等。在惰性气氛中，以活性较高的 Fe 为催化剂，制备得到管径在1-5 nm 左右的DWNTs ，管壁间距恒定(约0.41 nm)， 在范德华力作用下可以定向集结形成长达20 cm 的宏观绳状沉积物；以对碳材料生 长催化活性极弱的铜作为催化剂，实现 MWNTs 及 Y-MWNT 的大量合成，其中 Y-MWNT 的纯度经优化后可达90% 以上。 用电弧等离子体原位填充技术制备了外壳为 MWNTs 、内芯为一维铜或稀土氟 化物纳米线的“纳米电缆”复合结构（Cu/LnF3@CNT 纳米电缆）。这些铜、稀土氟化 物晶体纳米线的长度可达十余微米、且直径分布均一。碳纳米管的紧密包覆可以严 格限制物质晶体的外延生长，从而强制形成长程结构连续的一维纳米线;晶体纳米线 沿高能晶面或低能晶面方向取向，生长模式较为多样。进而通过热氧化处理除去碳 纳米管壳层，在不损伤晶体纳米线形态及结构的前提下得到了纯净的稀土氟化物纳 米线。