富勒烯纳米纤维形貌和结构影响因素的研究

摘要

富勒烯纳米纤维是指外径小于1000nm,或管壁厚度小于200nm长径比大于3的具有纤维状形貌的富勒烯纳米材料。富勒烯纳米纤维既保持了富勒烯分子的的结构和性质又具有单晶结构,高长径比,是十分理想的低维纳米材料。然而,富勒烯纳米纤维中纳米管的合成效率不高,生长机理尚不明确。本文通过不同溶液体系,调整光照等实验条件,得到富勒烯纳米纤维的最佳合成条件,系统研究了不同激发条件下富勒烯纳米纤维的形貌和结构,从而进一步探讨了富勒烯纳米管的生长机理。
　　 采用液-液界面析出法在不同的溶剂体系中合成了不同结构形貌的富勒烯纳米纤维(FNFs)。当溶剂为吡啶或N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)时,可制备具有空心结构的纳米纤维,即富勒烯纳米管(FNTs)。溶剂类型对FNFS形貌结构影响巨大。溶剂分子与C60分子间的相互作用在FNTs的制备中起到了关键的作用。
　　 深入研究了激发条件对FNTs制备的影响,统计了不同激发波长和时间下FNTs的尺寸分布和平均内外径之比。当激发时间一定时,FNTs的平均内外径之比随激发波长的缩短而增加,制得的FNTs具有相对较大的内径和较薄的管壁。当激发波长一定时,在最佳激发时间下制备的FNTs有最大的平均内外径之比。
　　 鉴于实验数据与分析,提出了FNTs可能的C60-吡啶类表面活性剂生长机理。当照射时间约为30min时,最有利于C60-吡啶络合物的形成,因C60-吡啶分子间电子转移络合物的形成在C60颗粒表面形成吡啶保护层。此时,C60的饱和吡啶溶液加入异丙醇后,富勒烯颗粒粒径最小,表面包覆的吡啶分子保护层最厚,颗粒最稳定。因此C60颗粒最容易达到平衡点而停止为FNTs的继续生长提供C60分子。此时得到的FNTs相对内径最大,管壁最薄。