目前,碳纳米材料主要是以气相法制备。虽然具有量大面广的优势,但由于反应速度快,难以有效控制产物的形貌和结构。在固相反应中,由于反应速度较慢,易于控制,故可能制备出一些新型的碳纳米材料。现在已有少量固相制备的报道,如用金属稠环有机化合物作为先驱体,或用凝胶-溶胶法制备先驱体,存在费时费力,成本太高,难以推广的不足。此外,在这些研究中,一种固态的先驱体只能生长出一种碳纳米材料,先驱体改变后,相关的工艺、设备和产物都要随之改变。要发展碳纳米材料固态制备,就要寻找一种新颖的能简单大量制备的先驱体,并通过它能系统地制备出多种新型材料。在本研究中,以乙炔为碳源,含铁有机物为催化剂,使用原位复合生长模式,在浮动催化分解后直接获得了铁碳固溶的先驱体。具有工艺简单、铁碳混合均匀的特点。通过改变后续热处理工艺,可以在固态下直接生长多种碳纳米材料,如超大直径富勒烯笼、碳纳米管和超顺磁性或铁磁性的碳包铁(Fe@C)纳米颗粒。固态生长超大直径的富勒烯笼:将铁碳固溶先驱体(43 wt.% Fe),装入石英管中,以~600°C min-1升温到1000°C,通过铁颗粒的作用,在固态下直接生长富勒烯笼。除少量具有多层结构外,大多是单壁或双壁富勒烯,直径为3~12 nm。与传统的0.7 nm的C60相比,这些超大直径的富勒烯相当于C1140到C18280,这在实验上证明了超高系列富勒烯分子的客观存在性和可合成性。能合成本富勒烯笼的主要原因可能是,在快速加热中,铁在固态下固溶和析出的碳有限,只被极薄的石墨层包裹,这便于铁颗粒从内核逃逸,从而形成空心的超大直径富勒烯笼。这有别于传统C60的电弧法、激光法制备,反应温度通常高于2000 oC。本研究探索了富勒烯笼作为铂催化剂载体的应用。与传统的非晶炭黑和厚壁碳纳米笼相比,本富勒烯笼具有很高的石墨化和比表面积(535 m2 g-1),以其为载体的催化剂,具有很高的催化活性。其铂电化学活性比表面积(700 cm2 mg-1)也大大优于Johnson Matthey公司生产的商业催化剂(300 cm2 mg-1)。固态生长碳纳米管:将铁碳固溶先驱体封装入陶瓷管,以~1000°C min-1升温到1300°C多次快速热处理,即得碳管。其形貌特点为:直径在20~50 nm;长度在60~2000 nm。较高的反应温度,快速热处理和重复多次加热是固态下生长碳纳米管的三个关键因素。高温加快了固态扩散;快速热处理,控制了催化剂的直径。一次加热后先驱体中形成了碳管的雏形,再次加热,催化剂埋入非晶碳一端会固溶周围的碳,在另一端析出石墨结构,使碳管生长。多次加热,增加了碳管形核的几率,还使铁中碳的固溶度多次变化,促进了碳的固溶和析出,这样多次加热就提高了碳管的长度和产率。Fe@C磁性纳米颗粒:将铁碳固溶先驱体在500~600°C下热处理,固态生长出的复合纳米颗粒中,单个铁颗粒直径在7~8 nm,因此其具有超顺磁性;而将该先驱体在700~800°C下热处理,得到的复合纳米颗粒中,单个铁颗粒直径都大于10 nm,使其具有铁磁性。将铁碳固溶先驱体空气氧化后,再热处理,铁完全被还原出来并被碳包裹,形成具有较高的比表面积(395 m2 g-1)的多孔碳磁性颗粒。由于先驱体中铁碳固溶,通过改变热处理温度,就能直接控制铁颗粒的直径,从而获得磁性能各异的磁性纳米材料。