负载贵金属的碳纳米材料的制备

　　　　　　　　　　　　　　　负载贵金属的碳纳米材料的制备

　　纳米科学通常指在纳米尺寸（l(T1Q-l(T7m)范围内认识自然、改 造自然并创造新物质、新结构、新材料、新器件及新系统的科学与技术（《碳纳 米材料》，刘吉平、孙洪强编著，科学出版社，2004年，第一章，书号：ISBN 7-03-010612-1)。由于具有小尺寸效应、量子尺寸效应、表面效应及宏观量子隧 道效应，纳米材料表现出许多独特的物理、化学性质，使其在电子、机械、医药、 能源、环保等领域有着广阔的应用前景，并可能在下一代技术革新中起着核心作 用。另外，以碳为主要骨架的有机物不但构筑了生命本身，而且使得这个世界多 姿多彩。为此，碳纳米材料的研究和进一步应用显得尤其重要。近年来发现或发 展起来的主要碳纳米材料有富勒烯、碳纳米管、碳纳米纤维、纳米金刚石、碳纳 米球、洋葱状及锥状碳纳米体。其中碳纳米管的出现更是使得纳米科学的研究方 兴未艾。碳纳米管可以认为是一种巻曲的石墨片结构。根据其组成的片层数，一 般分为单壁碳纳米管（singlewalled carbon nanotubes， SWCNTs)、双壁碳纳米管 (doublewalled carbon nanotubes， DWCNTs)和多壁碳纳米管。将两种材料复合或者杂化可以制备出新材料或者提高原来材料的综合性能。鉴于碳纳米材料及贵金属的独特优良性能，将两种材料结合起来制备负载贵金属 的碳纳米材料引起了科学及工业界的兴趣。这种杂化材料一般采用两种策略来制 备。 一是物理吸附法，即通过静电吸附，将已经制备好的贵金属颗粒吸附到碳表 面。利用此法，将金胶体颗粒吸附到碳纳米管表面，得到了金负载的碳纳米管 (Nano Letters, 2003， 3(3): 279-282)。 二是化学还原法，即用化学还原剂或者改性 碳材料的表面活性基团原位还原，将贵金属颗粒"生长"于碳表面。显然，这两 种方法都存在着缺点和不足。前者必须首先制备出表面带电荷的贵金属颗粒；后 者则必须用外加还原剂，成本高、工艺复杂。

本文目的是在不用任何外加还原剂或者特殊声、光、电处理的 情况下，将碳纳米材料与贵金属化合物溶液混合，直接制备出负载贵金属的碳纳米材料。制备方法如下：1重量份的碳纳米材料或其表面改性体与0.1-10000重量份贵金属化合物在 0.1-50重量份水、有机溶剂或者水与有机溶剂的混合溶剂中混合，于0-15(TC下 搅拌5分钟至120小时后，经离心分离、干燥，得到负载贵金属的碳纳米材料， 其中混合溶剂中水与有机溶剂的体积比为1/0.1-1/1000。所用的碳纳米材料选自至少一个维度上为纳米级的碳微粒、碳球、碳 棒、碳管、单壁碳纳米管、双壁碳纳米管、多壁碳纳米管、碳膜、碳纤维、锥状 碳材料、块状碳材料、弧形碳材料、洋葱状碳材料、多面体碳材料、网状碳材料、 多孔碳材料或者富勒烯。所用的碳纳米材料的表面改性体选自经过化学、超声波及等离子体处 理过的碳纳米材料，其中化学处理过的碳纳米材料包括用氧化剂如硝酸、硫酸、 高锰酸钾、过氧化氢及其混合物处理过的碳纳米材料，有机小分子、金属络合物、 表面活性剂价接或吸附的碳纳米材料，聚合物大分子接枝或吸附的碳纳米材料， 多肽、蛋白质、DNA、 RNA、多糖、纤维素分子联接或吸附的碳纳米材料或者其混合物。

本方法制备负载贵金属的碳纳米材料，无需外加还原剂，成本低，反 应条件温和，工艺步骤少，可控性好，操作简单，适合实验室制备和大批量生产。 所制备的杂化纳米材料具有独特的催化、光学、电学、热学及力学性能，适宜做 高效催化材料，高强度特种材料、高性能膜材料、高强度纤维材料、吸波材料的 本体或添加剂，在纳米催化，电极，电池，特殊光学、电学、力学及能量吸收材 料等领域有着广泛的应用价值。