碳纳米材料理念之分离富集理论研究

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1、碳纳米材料理念之分离富集理论研究第一章文献综述1.1纳米材料概述纳米科学与技术、信息技术、生物技术是二十一世纪对社会与经济发展有着深远影响的重要技术。当前，纳米科技已成为最为流行的研究课题之一，它的迅猛发展引起了众多研究领域科学家们的关注，为许多学科诸如材料、化学、医学、生物、电子、物理等的发展带来新活力，并很可能促使工业发展产生革命性的变革。纳米材料作为先进功能材料的一种，是构筑整个纳米科学与科技大厦的核心和基石。纳米材料学的重大研究进展直接关系到纳米分析学、纳米微电子学、纳米光学、纳米医学、纳米

2、磁学、纳米生物学、纳米环境、纳米能源、纳米信息学等广阔研究领域的进步。纳米材料已经在传感器、微电子器件、催化物质、能源绿色、疾病治疗与诊断、环境保护和分析器件等领域展现了其它宏观材料无可比拟的应用潜力。纳米是一种长度计量单位，是一米的十亿分之一，即1nm=10–9m，如果与一根头发丝比较，一纳米是发丝直径的六万分之一，其尺度范围介于分子(或原子)与宏观材料中间。纳米材料是指三维空间中至少有一个维度处在纳米尺度范围(通常指1–100纳米)或者由它们本身作为基本单元组装而成的微纳

3、米材料[1]。实际上，科学家们仅仅把那些尺寸达到纳米尺度后性能发生了突变的材料称为纳米材料，此材料展示了非常独特的化学和物理属性，如形貌效应、小尺寸效应、量子尺寸效应、介电限域效应、晶面效应、宏观量子隧道效应等。纳米材料种类繁多，按照不同的定义，纳米材料可分为不同的种类。例如：按晶体结构区分，纳米材料可分为纳米非晶体、纳米准晶体和纳米晶体；按化学组成可分为氧化物纳米材料、碳纳米材料、金属纳米材料、纳米高分子材料、量子点纳米材料、纳米有机材料和复合纳米杂化材料等；按物理形态可分为纳米粉末、纳米纤维、纳

4、米膜、纳米相分离液体、纳米块体；按空间维数区分，纳米材料可以分为零维纳米粒子和原子团簇，一维纳米线、管、棒、带等，二维纳米片、纳米盘、超薄膜、纳米粒子超晶格等，以及三维的纳米枝状物、纳米花等；按用途可分为纳米电子材料、纳米医用材料、纳米气敏材料、纳米储能材料等[2,3]。纳米材料多为人工合成的，属于人工材料，然而自然界中早就有丰富的纳米材料物质所存在，如DNA和蛋白质等。纳米材料的不断发展离不开多种多样的表征技术。纳米材料的主要表征手段有以下几方面：(1)透射电子显微镜(TEM)由于可见光波长的限制

5、，在光学显微镜下无法看清亚显微结构和超微结构，要想看清微米尺度的结构，就必须选择波长更短的光源，来提高显微镜的分辨率。以电子束为光源的电子显微镜的理论分辨率取决于电子的波长，电子束的波长与发射电子束的电压平方根成反比。目前普遍加速电压可达到200300kV，可以看到晶体晶格指纹。个别加速电压达到400kV以上，分辨本领能达到2左右。TEM主要用来观察纳米粒子的轮廓形貌、粒径分布，获取局部晶体结构信息等。装配能量分散X射线光谱仪(EDX)附件的TEM可以对其局部进行元素分析。(2)扫描电子显微镜(SE

6、M)用于观察材料断口及内部组织信息等。(3)X射线衍射(XRD)XRD获得纳米材料中程、局部、原子结构的综合信息。(4)原子力显微镜(AFM)AFM利用微悬臂感受和放大悬臂上尖细探针与受测试样原子之间的作用力，从而可以显示局部样品细节图和厚度以达到检测的目的。(5)X光电子能谱可以表征样品表面的元素价态。(6)差热/热重分析根据材料的热力学性能来进行组分定量。(7)光谱学技术包括红外光谱、紫外可见光谱、拉曼、核磁共振、质谱和激光共聚焦显微镜(荧光微纳米材料信息)，及结合不同表征手段的联合使用，为获取

7、纳米材料组分、表面状态、单分散性等信息提供帮助。第二章多壁碳纳米管的改性及用于稀土元素的吸附2.1引言稀土元素由于其独特的光、电、热、磁、催化属性以及在物理、化学、生物、医疗和材料领域的广泛应用受到了人们的关注。稀土元素被看作是现代工业的催化剂和维生素，对经济与科技的发展有着深远的影响。虽然稀土元素在工业上有着重要的应用，但是在能源的可持续利用和环境污染方面存在一些问题[1]。因此，有必要发展一种合适的方法来满足稀土的质量控制与认证、材料评价的需要。各种各样的技术已经用于分离和去除痕量的稀土，包括共

8、沉淀法[2]、溶剂萃取法[3]、吸附法[4]、离子交换法[5]等。虽然溶剂萃取具有高的萃取效率和分离选择性，已经被广泛的用于稀土的分离和纯化，但是由于此方法使用大量的有机试剂，破坏环境，危害人类健康，在一定程度上限制了其应用范围。在众多的方法中，吸附法毫无疑问是个非常有用的方法。作为一个既简单又高效的方法，人们发现吸附法已经扩展到稀土分离纯化领域，各种各样的材料已经在吸附方法中所使用，例如，无机氧化物[6-9]、沸石[10]、二氧化硅[11-15]、活性炭[16]、树