激光法制备碳纳米颗粒及其发光的研究

论文摘要

从传统碳材料(石墨、碳黑)转变成新型碳材料(纳米金刚石、纳米碳洋葱等)需要足够高的温度和压力,一般常规手段很难满足这样的要求。激光可通过瞬间高能量的输入产生碳材料相变的条件,因此可望成为一种有效合成新型纳米碳材料的方法。用高功率密度的短脉冲(纳秒)激光虽然可以产生足够高的温度和压力获得纳米金刚石(粒径为30～300 nm),但是它的有效工作的时间太短,合成效率低。本课题组提出了较低功率密度的长脉冲(毫秒)激光辐照循环石墨悬浮液的方法,获得了超细的纳米金刚石(粒径<10 nm)并且使产率得到了提高。本文结合两种不同类型激光产生的条件差异,从热力学和动力学两方面研究了毫秒脉冲激光获得超细纳米金刚石的原因。研究表明,金刚石稳定的平衡尺寸、较小的生长速率以及表面的混合杂化限制了较大颗粒金刚石的产生;在小尺寸下转变成金刚石结构的几率大,有助于产率的提高。首次在细小的纳米金刚石上发现了多重孪晶,研究了多重孪晶的形成过程,为金刚石晶粒的生长提供了重要的理论依据。通过理论计算和观察到的金刚石孪晶的中间结构,证明了多重孪晶是通过依次形成孪晶而产生的。用激光辐照悬浮在水中的碳黑,首次合成了亲水性的碳纳米洋葱,其具有良好的应用前景。通过各种分析手段表明碳纳米洋葱的亲水性主要是来自于表面的亲水基团。结合理论计算,研究了激光功率密度对碳纳米洋葱结构的影响:过高的激光功率密度会导致碳质量损失,使碳洋葱中心造成空洞;而过低的激光功率密度则使碳黑结构不能发生完全有序化。发光的碳纳米颗粒由于具有无毒、化学惰性以及良好的生物相容性的特点,在生物和医药领域具有重要的潜在应用价值,所以研究它的发光机制对提高其发光效率和控制荧光特征具有非常重要的意义。本文研究了化学修饰法获得的碳纳米颗粒发光的机制,并开发了激光下一步合成发光碳纳米颗粒的新工艺。碳纳米颗粒的发光主要来自于表面态,通过改变试剂可以获得不同特征的荧光发射。另外,实验中获得的碳纳米颗粒具有双光子激发荧光发射的特征。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 碳纳米颗粒的结构与性质
• 1.2.1 石墨的结构与性质
• 1.2.2 金刚石的结构与性质
• 1.2.3 碳洋葱结构与性质
• 1.3 激光法制备碳纳米颗粒的研究进展
• 1.3.1 激光与碳材料相互作用的物理化学现象
• 1.3.2 激光法制备纳米金刚石
• 1.3.3 激光法制备碳纳米洋葱
• 1.3.4 当前研究面临的问题
• 1.4 碳纳米颗粒发光的研究进展
• 1.4.1 发光碳纳米颗粒的制备方法
• 1.4.2 当前研究面临的问题
• 1.5 课题的提出及研究内容
• 1.5.1 课题的提出
• 1.5.2 研究内容
• 1.5.3 创新点
• 第二章 实验原料与装置
• 2.1 石墨原料分析
• 2.1.1 扫描电镜分析
• 2.1.2 X 射线衍射分析
• 2.1.3 拉曼光谱分析
• 2.2 碳黑原料分析
• 2.2.1 形貌分析
• 2.2.2 X 射线衍射分析
• 2.2.3 拉曼光谱分析
• 2.3 实验化学试剂
• 2.4 实验设备
• 2.5 实验装置
• 第三章 超细纳米金刚石的合成及其多重孪晶的形成机制
• 3.1 前言
• 3.2 纳米金刚石的合成
• 3.3 纳米金刚石的形成机制分析
• 3.3.1 激光照射石墨的相变过程
• 3.3.2 金刚石凝聚形核理论分析
• 3.3 限制纳米金刚石长大因素分析
• 3.3.1 热力学因素
• 3.3.2 动力学因素
• 3.3.3 获得细小纳米金刚石的原因
• 3.4 尺寸、温度和压力对转变成金刚石几率的影响
• 3.5 细小纳米金刚石上的五重孪晶
• 3.5.1 透射电镜观察分析
• 3.5.2 金刚石上五重孪晶的稳定性
• 3.5.3 五重孪晶的形成机制
• 第四章 合成亲水性的碳纳米洋葱
• 4.1 前言
• 4.2 碳纳米洋葱的制备
• 4.2.1 制备方法
• 4.2.2 激光照射下碳黑的结构转变
• 4.3 水中制备碳纳米洋葱的性质
• 4.4 合成亲水碳纳米洋葱的理论分析
• 4.5 激光在液体介质下制备碳纳米洋葱展望
• 第五章 发光碳纳米颗粒的制备及其发光机理研究
• 5.1 前言
• 5.2 化学修饰制备发光碳纳米颗粒
• 5.2.1 制备方法
• 5.2.2 碳纳米颗粒的TEM 分析
• 5.2.3 碳纳米颗粒发光性质分析
• 5.2.4 碳纳米颗粒发光机制分析
• 5.3 激光法直接获得发光碳纳米颗粒
• 5.3.1 制备方法
• 5.3.2 电镜结果分析
• 5.3.3 直接获得的碳纳米颗粒的发光性质
• 5.3.4 影响发光的因素分析
• 5.3.5 碳纳米颗粒发光性能的衡量
• 第六章 结论与展望
• 6.1 全文结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 发表论文和参加科研情况说明
• 致谢