电弧法制备碳包覆金属纳米微粒的研究进展.pdf

电弧法制备碳包覆金属纳米微粒的研究进展９１电弧法制备碳包覆金属纳米微粒的研究进展—ＲｅｖｉｅｗｏｆＰｒｅｐａｒａｔｉｏｎｏｆＣａｒｂｏｎｃｏａｔｅｄＭｅｔａｌＮａｎｏｐａｒｔｉｃｌｅｂｙＡｒｃＤｉｓｃｈａｒｇｅＭｅｔｈｏｄ刘同冈，邹学壮，钱子航，吴健（中国矿业大学机电工程学院，江苏徐州２２ｌ１１６）———ＬＩＵＴｏｎｇｇａｎｇ，ＺＯＵＸｕｅｚｈｕａｎｇ，ＱＩＡＮＺｉｈａｎｇ，ＷＵＪｉａｎ（ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌａｎｄＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＣｈｉｎａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＭｉｎｉｎｇａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｘｕｚｈｏｕ２２１ｌ１６，Ｊｉａｎｇｓｕ，Ｃｈｉｎａ）摘要：碳包覆金属纳米微粒既可以避免金属纳米微粒的氧化，又能保持其固有性能不变，其潜在科研和应用价值引起了研究者的广泛关注。本文介绍了电弧法制备碳包覆金属纳米微粒的原理，综合评述了碳包覆金属纳米微粒的电弧法制备技术的国内外研究现状，讨论了金属与碳作用后的反应路径，产物类型以及碳包覆金属纳米微粒的形成机理。关键词：金属纳米微粒；碳包覆；制备技术；电弧法；形成机理中图分类号：０６３５．１；ＴＢ３８３文献标识码：Ａ——文章编号：１００１４３８１（２０１１）１２－００９１０６Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｍｅｔａｌｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌｓｉｎｃａｒｂｏｎ－ｃｏａｔｅｄｐａｒｔｉｃｌｅｃｏｕｌｄｂｅｐｒｏｔｅｃｔｅｄｆｒｏｍｔｈｅｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｎｄｓｔｉｌｌｒｅｔａｉｎｔｈｅｉｒｉｎｔｒｉｎｓｉｃｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ，ｗｈｉｃｈｈａｓｒｅｃｅｉｖｅｄｃｏｎｓｉｄｅｒａｂｌｅａｔｔｅｎｔｉｏｎｉｎｒｅｃｅｎｔｙｅａｒｓｆｏｒ—ｂｏｔｈｉｔｓｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃａｎｄｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｃａｌｉｍｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ．Ｔｈｅｗｏｒｋｉｎｇｐｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆｐｒｅｐａｒｉｎｇｃａｒｂｏｎｃｏａｔｅｄｍｅｔａｌｎａｎｏｐａｒｔｉｃｌｅｓｂｙａｒｃｄｉｓｃｈａｒｇｅｍｅｔｈｏｄｗａｓｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈａｎｄｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｔｈｅ—ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｗｅｒｅｂｒｉｅｆｌｙｒｅｖｉｅｗｅｄ．Ｔｈｅｒｅａｃｔｉｏｎｐａｔｈｏｆｍｅｔａｌａｎｄｃａｒｂｏｎ，ｔｈｅｔｙｐｅｓｏｆｔｈｅｒｅｓｕｌｔｐｒｏｄｕｃｔ，ａｎｄｔｈｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｍｅｃｈａｎｉｓｍｏｆｔｈｅｃａｒｂｏｎｅｎｃａｐｓｕｌａｔｉｏｎｗｅｒｅｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．—Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｍｅｔａｌｎａｎｏｐａｒｔｉｃｌｅ；ｃａｒｂｏｎｃｏａｔｅｄ；ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ；ａｒｅｄｉｓｃｈａｒｇｅｍｅｔｈｏｄ；ｆｏｒｍａｔｉｏｎｍｅｃｈａｎ；ｓｍ纳米材料大致可分为纳米粉末、纳米纤维、纳米膜、纳米块体等四类。其中纳米粉末开发时间最长，技术最为成熟，是生产其他三类产品的基础。金属纳米微粒是应用最广泛的纳米材料之一，目前利用气相沉积法或化学液相法已经制得了多种纳米金属微粒＿】］。但是由于金属纳米微粒的活性很高，直接置于空气中极易氧化甚至自燃，限制了对其性能的进一步深入研究及在工业领域中的开发应用。因此，如何避免金属纳米微粒的氧化并能长期稳定地保持其固有性质成为金属纳米微粒制备领域中的一项关键技术。１９８５年，ＣｕｒｌＲ．Ｆ．Ｅ２］等发现了一种全新的原子——团簇富勒烯。巴基球是富勒烯的一种，是由６Ｏ个碳原子形成的２Ｏ个六边形与１２个五边形所架构而成的中空球体。当时许多科学家曾尝试在巴基球中填入其他原子，但都未成功，然而此种想法却成为日后开发碳包覆纳米晶粒材料的研究起点。最早的碳包覆纳米晶粒是由ＲｏｕｆｆＲＳＥ３＿等和ＴｏｍｉｔａＭｌ＿４等制备得到的，当时他们采用电弧法蒸发气化掺镧（Ｌａ）的阳极石墨棒，在收集到的烟炱中发现了由多层石墨包覆的ＬａＣ纳米晶粒。此后，人们相继制得了多种碳包覆金属纳米微粒。由于碳保护膜把被包覆的金属纳米晶粒与周围环境隔绝，使其能够稳定存在，明显拓展了金属纳米微粒的实际应用空间，在磁记录材料、磁性液体、隐身材料、生物医药及核磁共振成像等诸多领域有着巨大的潜在应用价值，因此引起了各国科学家的广泛研究兴趣。本文对近年来国内外碳包覆金属纳米微粒的制备研究现状进行了综述。１制备方法ＲｕｏｆｆＥ。等与ＴｏｍｉｔａＥ等在１９９３年最早制备并发现碳包覆ＬａＣ纳米晶粒时，所使用的方法是传统的碳一碳电极电弧法。原理如图１所示，该装置中的两个电极由石墨棒组成，工作前首先将阳极石墨棒钻孔９６材料工程／２０１１年１２期［８］［９］［１Ｏ］［１１］［１２］［１３］［１４］［１５］［１６］［１７］［１８］［１９］［２０］［２１］［２２］［２３］—ｃｌｕｓｔｅｒｓｐｒｅｐａｒｅｄｂｙｔｈｒｅｅｄｉｆｆｅｒｅｎｔｍｅｔｈｏｄｓ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＰｈｙｓ—ｉｃｓａｎｄＣｈｅｍｉｓｔｒｙｏｆＳｏｌｉｄｓ，２０００，６１（７）：１０５５１０６７．—ＤＲＡＶＩＤＶＰ，ＨＯＳＴＪＪ，ＴＥＮＧＭＯＨＵＡ，ｅｔａ１．Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄｓｉｚｅｎａｎ。ｃａｐｓｕ１ｅｓ口］．Ｎａｔｕｒｅ，１９９５，３７４（６５２３）：６０２．ＴＥＮＧＭＨ，ＨＯＳＴＪＪ，ＨＷＡＮＧＪＨ，ｅｔａ１．ＮａｎｏｐｈａｓｅＮｉ—ｐａｒｔｉｃｌｅｓｐｒｏｄｕｃｅｄｂｙａｂｌｏｗｎａｒｃｍｅｔｈｏｄ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＭａｔｅｒｉａｌｓＲｅｓｅａｒｃｈ，１９９５，１０（２）：２３３２３６．——ＨＵＡＮＧＨＪ，ＹＡＮＧＳＨ，ＧＵＧ．Ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎｏｆｃａｒｂｏｎｃｏａｔｅｄｃｏｂａｌｔｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌｓｉｎａｎｅｗｇａｓｂｌｏｗａｒｃｒｅａｃｔｏｒａｎｄｔｈｅｉｒｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＰｈｙｓｉｃａｌＣｈｅｍｉｓｔｒｙＢ，１９９８，１０２—（１８）：３４２０３４２４．ＥｌＩＩＯＴＴＢＲ，ＨＯＳＴＪＪ，ＤＲＡＶＩＤＶＰ，ｅｔａ１．Ａｄｅｓｃｒｉｐｔｉｖｅ———ｍｏｄｅｌｌｉｎｋｉｎｇｐｏｓｓｉｂｌｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｍｅｃｈａｎｉｓｍｓｆｏｒｇｒａｐｈｉｔｅｅｎｃａｐｓｕｌａｔｅｄｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌｓｔｏｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｐａｒａｍｅｔｅｒｓ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＭａｔｅｒｉａｌｓＲｅｓｅａｒｃｈ，１９９７，１２（１２）：３３２８３３４４．ＳＥＲＡＰＨＩＮＳ，ＺＨＯＵＤ，ＪＩＡＯＪ．Ｆｉｌｌｉｎｇｔｈｅｃａｒｂｏｎｎａｎｏｃａｇｅｓ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＡｐｐｌｉｅｄＰｈｙｓｉｃｓ，１９９６，８０（４）：２０９７～２１０４．ＣＨＥＮＨ，ＨＵＡＮＧＲＢ．ＴＡＮＧＺＣ．Ｓｉｎｇｌｅｔｉｔａｎｉｕｍｃｒｙｓｔａｌｓｅｎｃａｐｓｕｌａｔｅｄｉｎｃａｒｂｏｎｎａｎｏｃａｇｅｓｏｂｔａｉｎｅｄｂｙｌａｓｅｒｖａｐｏｒｉｚａｔｉｏｎ—ｏｆｓｐｏｎｇｅｔｉｔａｎｉｕｍｉｎｂｅｎｚｅｎｅｖａｐｏｒ［Ｊ］．ＡｐｐｌｉｅｄＰｈｙｓｉｃｓＬｅｔ—ｔｅｒｓ，２０００，７７（１）：９１９３．Ｎ０ＲＴＨＪＭ，ＭＡＮＮＩＮＧＴＪ，ＰＵＲＣＥＬＬＪ，ｅｔａ１．Ｅｘｆｏｌｉａｔｅｄ——ｇｒａｐｈｉｔｅａｎｄｏｚｏｎａｔｅｄｓｉｎｇｌｅ。ｗａｌｌｃａｒｂｏｎｎａｎｏｔｕｂｅｓｆｏｒｅｎｃａｐｓｕ－—ｌａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｓｉｎｇｌｅｍｏｌｅｃｕｌｅｍａｇｎｅｔＭｎｌ２［Ｊ］．Ｃａｒｂｏｎ，２００４，４２—（１）：１９９２０３．ＳＥＴＩＵＲＡＡ，ＤＡＩＪＹ，ＩＡＵＥＲＨＡＡＳＪＭ，ｅｔａ１．Ｆｏｒｍａｔｉｏｎｏｆｇｒａｐｈｉｔｅｅｎｃａｐｓｕｌａｔｅｄｆｅｒｒｏｍａｇｎｅｔｉｃｐａｒｔｉｃｌｅｓａｎｄａｍｅｃｈａｎｉｓｍｆｏｒｔｈｅｉｒｇｒｏｗｔｈ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＭａｔｅｒｉａｌｓＲｅｓｅａｒｃｈ，１９９８，１３（８）：２１３９２１４３．ＳＥＳＨＡＤＲＩＲ，ＳＥＮＲ，ＳＵＢＢＡＮＮＡＧＮ，ｅｔａ１．Ｉｒｏｎ，ｃｏｂａｌｔａｎｄｎｉｃｋｅｌｎａｎｏｐａｒｔｉｃｌｅｓｅｎｃａｐｓｕｌａｔｅｄｉｎｃａｒｂｏｎｏｂｔａｉｎｅｄｂｙｔｈｅａｒｃｅｖａｐｏｒａｔｉｏｎｏｆｇｒａｐｈｉｔｅｗｉｔｈｔｈｅｍｅｔａｌｓ［Ｊ］．ＣｈｅｍｉｃａｌＰｈｙｓｉｃｓ——Ｌｅｔｔｅｒｓ，ｌ９９４，２３１（２３）：３０８３１３．ＥＩ一ＧＥＮＤＹＡＡ，ＩＢＲＡＨＩＭＥＭＭ，ＫＨＡＶＲＵＳＶＯ，ｅｔａ１．ＴｈｅｓｙｎｔｈｅｓｉｓｏｆｃａｒｂｏｎｃｏａｔｅｄＦｅ，ＣｏａｎｄＮｉｎａｎｏｐａｒｔｉｃｌｅｓａｎｄａｎｅｘａｍｉｎａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｉｒｍａｇｎｅｔｉｃｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ［Ｊ］．Ｃａｒｂｏｎ，２００９，—４７（１２）：２８２１２８２８．刘同冈，刘书进，吴健，等．电弧法制备碳包覆铁纳米微粒的纯化研究［Ｊ］．材料工程，２０１０，（５）：６４６７．ＧＡＤＤＧＥ，ＣＯＬＬＥＬＡＭ．ＢＬＡＣＫＦＯＲＤＭ，ｅｔａ１．Ｆｕｌｌｅｒｅｎｅｓａｓｐｒｅｃｕｒｓｏｒｓｆｏｒｎａｎｏｃａｐｓｕｌｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ［Ｊ］．ＦｕｌｌｅｒｅｎｅＳｃｉｅｎｃｅ—ａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２０００，８（１２）：６５７６．ＢＯＫＨＯＮＯＶＢ，ＫｏＲＣＨＡＧＩＮＭ．Ｔｈｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｏｆｇｒａｐｈｉｔｅｅｎｃａｐｓｕｌａｔｅｄｍｅｔａｌｎａｎｏｐａｒｔｉｃｌｅｓｄｕｒｉｎｇｍｅｃｈａｎｉｃａｌａｃｔｉｖａｔｉｏｎａｎｄａｎｎｅａｌｉｎｇｏｆｓｏｏｔｗｉｔｈｉｒｏｎａｎｄｎｉｃｋｅｌ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＡｌｌｏｙｓ——ａｎｄＣｏｍｐｏｕｎｄｓ，２００２，３３３（１２）：３０８３２０．ＮＡＲＫＩＥＷＩＣＺＵ，Ｐ０ＤＳ１ＡＤＬＹＭ，ＡＲＡＢＣＺＹＫＷ，ｅｔａ１．——Ｃａｒｂｏｎｃｏａｔｅｄｃｏｂａｌｔｎａｎｏｐａｒｔｉｃ１ｅｓ［Ｊ］．ＭａｔｅｒｉａｌｓＳｃｉｅｎｃｅ＆Ｅｎ——ｇｉｎｅｅｒｉｎｇＣ，２００７，２７（５８）：１２７３１２７６．张海燕，何艳阳，薛新民，等．石墨镶嵌Ｃｏ纳米晶的形成及其特—性［Ｊ］．功能材料，１９９９，（１）：６３６５．Ｈ０ＳＴＪＪ，ＴＥＮＧＭＨ，ＤＲＡＶＩＤＶＰ．Ｓｙｓｔｅｍａｔｉｃｓｔｕｄｙｏｆｇｒａｐｈｉｔｅｅｎｃａｐｓｕｌａｔｅｄｎｉｃｋｅｌｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌｓｙｎｔｈｅｓｉｓｗｉｔｈｆｏｒｍａ一［２４］［２５］［２６］［２７］［２８］［２９］［３Ｏ］［３１］［３２］［３３］［３４］［３５］［３６］ｔｉｏｎｍｅｃｈａｎｉｓｍＩｍｐｌｉｃａｔｉ。ｎｓ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＭａｔｅｒｉａｌｓＲｅｓｅａｒｃｈ，—ｌ９９８，１３（９）：２５４７２５５５．—ＳＣＨＡＰＥＲＡＫ，ｔｔＯＵＨ，ＧＲＥＩＮＥＲＡ，ｅｔａ１．Ｃｏｐｐｅｒｎａｎｏｐａｒｔｉｃｌｅｓｅｎｃａｐｓｕｌａｔｅｄｉｎｍｕｌｔｉ－ｓｈｅｌｌｃａｒｂｏｎｃａｇｅｓ［Ｊ］．ＡｐｐｌｉｅｄＰｈｙｓｉｃｓＡ：—ＭａｔｅｒｉａｌｓＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇ，２００４，７８（１）：７３７７．ｏＫＵＴ．ＫＵＳＵＮ０ＳＥＴ，ＨＩＲＡＴＡＴ，ｅｔａ１．ＦｏｒｍａｔｉｏｎａｎｄｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆＡｇ，ＧｅａｎｄＳｉＣｎａｎｏｐａｒｔｉｃｌｅｓｅｎｃａｐｓｕｌａｔｅｄｉｎｂｏｒｏｎｎｉｔｒｉｄｅａｎｄｃａｒｂｏｎｎａｎ。ｃａｐｓｕ１ｅｓ口］．ＤｉａｍｏｎｄａｎｄＲｅｌａｔｅｄＭａｔｅｒｉａｌｓ，２０００，９（３）：９１１９１５．ＴＡＫＡＴＡＭ．ＵＭＥＤＡＢ，ＮＩＳＨＩＢ０ＲＩＥ，ｅｔａ１．Ｃｏｎｆｉｒｍａｔｉｏｎ———ｂｙＸｒａｙｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎｏｆｔｈｅｅｎｄｏｈｅｄｒａｌｎａｔｕｒｅｏｆｔｈｅｍｅｔａｌ—ｌｏｆｕｌｌｅｒｅｎｅＹ＠Ｃ８２［Ｊ］．Ｎａｔｕｒｅ，１９９５，３７７（６５４４）：４６４９．ＷＡＮＧＹ．Ｅｎｃａｐｓｕｌａｔｉｏｎｏｆｐａｌｌａｄｉｕｍｃｒｙｓｔａｌｌｉｔｅｓｉｎｃａｒｂｏｎａｎｄｔｈｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｏｆｗｏｒｍｌｉｋｅｎａｎｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌｏｆｔｈｅ—ＡｍｅｒｉｅａｎＣｈｅｍｉｃｓｌＳｏｃｉｅｔｙ，１９９４，１６６（１）：３９７３９８．’—ＢＡＢＯＮＮＥＡＵＤ，ＣＡＢＩＯＣＨＴ，ＮＡＵＤＯＮＡ．Ｓｉｌｖｅｒｎａｎｏｐａｒ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