碳纳米材料具有独特的结构和众多奇异的物理化学性质,在诸多科学技术领域显示出巨大的潜在应用价值,近10年来逐渐成为国内外关注的一个研究热点。本论文以生物材料为基质制备碳纳米材料,并对其结构、性质及制备过程进行了较系统的研究,主要内容如下: 以一种具有空心结构的脱铁蛋白为纳米级限域性模板反应器合成碳包覆金属纳米材料,即:以脱铁蛋白(其空心结构由蛋白质肽链构成)作为合成碳包覆纳米材料的纳米级限域性模板反应器,首先采用化学组装技术方法将拟包覆金属的前驱体填充到蛋白质肽链构成的空腔内,然后在温和可控的条件下进行热处理,使蛋白质肽链热分解,其中生成的碳构成富勒烯类空心纳米壳体并将填充在蛋白质空心内部的金属材料包覆起来,得到碳包覆的金属纳米材料。考察了蛋白矿化反应参数对脱铁蛋白矿化组装结果的影响,并讨论了其矿化机理:分别采用真空炭化工艺、还原炭化工艺成功制备出粒度分布均匀的碳包覆锰、钴纳米材料;采用TEM和EDX等对产品结构和组成进行了表征分析,并初步讨论了碳包覆金属纳米材料的生长过程和机制。 以多糖(淀粉、纤维素)为基质通过控温还原炭化工艺成功制备出碳包覆金属纳米材料,综合采用TEM、HRTEM、SEM、EDX、XRD、Raman、IR光谱、UV-vis光谱等技术手段对产品的形态、结构、组成和性质进行了全面的分析研究。首先以淀粉为基质在氢气气氛下炭化制备出大量的碳包覆铁纳米材料,通过改变金属前驱体中金属氧化物的成分,成功制备出碳包覆FeCo复合金属纳米材料:以纤维素为基质采用还原炭化工艺亦成功地制备出碳包覆金属纳米材料:得到的碳包覆金属纳米颗粒呈准球形的核壳结构,粒度比较均一。这些结果表明,淀粉和纤维素是制备碳包覆纳米材料的理想碳前躯体。阐述了碳包覆金属纳米材料的形成机理;指出多糖基碳包覆纳米材料的形成过程包括炭化过程和催化石墨化过程两个阶段。此外,以淀粉为前躯体采用电弧法成功制备出形态规整的纳米碳球,其粒径分布均匀,石墨化程度高。 以铁蛋白为催化剂前躯体,采用化学气相沉积方法进行了碳纳米管的制备研究。以煤气为碳源气相生长出大量碳纳米管,对产品形态、结构进行表征分析,并对其生长的影响因素进行研究,优化了工艺参数;通过调节反应时间等参数成功制备出定向生长的碳纳米管阵列。实验进一步以含硫有机化合物(噻吩、二硫化碳)为碳源制备出Y形碳纳米管,结果表明硫是Y形碳纳米管生长的重要因素,并以此提出了Y形碳纳米管的生长机理:为进一步考察催化剂对碳纳米管生长的影响,以二茂铁为催化剂热解煤气制备出单壁碳纳米管,并对其形态、结构以及生长机理进行了研究。实验通过电化学测试分析考察了碳纳米管作为电极材料的可行性,发现碳纳米管作为电容器的电极材料具有良好的电化学性能和较高的稳定性。