1、碳納米管一經發(fā)現(xiàn)便吸引了全世界科學家的廣泛關注，已成為當前納米科學研究領域最熱門的材料之一。雙壁碳納米管(DWNTs)具有介于單壁碳納米管與多壁碳納米管之間的獨特雙層石墨層結構，因此兼具單壁碳納米管與多壁碳納米管的優(yōu)點，對碳納米管內部進行填充不但能改變碳納米管本身的電學、力學等性能，而且還能調變被填充物質的性質。本論文的工作主要圍繞雙壁碳納米管的可控合成、填充以及納米空間內填充物質的結構與性質等展開，獲得的主要結果如下： 1．高

2、產率合成了克量級、純度達90wt％以上的雙壁碳納米管。采用FeS代替?zhèn)鹘y(tǒng)的Fe、Co、Ni、S 等催化劑，并添加鹵化物作為助催化劑，在有效改造傳統(tǒng)電弧爐樣品收集裝置基礎上，利用直流電弧法高選擇性合成了DWNTs，其產率由文獻報導的10wt％左右提高到50wt％以上，而且DWNTs的結構和質量都有很大改善。發(fā)展了一種有效的 DWNTs 純化方法，經過空氣選擇性灼燒、過氧化氫氧化、鹽酸溶液回流等簡單純化處理，獲得了純度大于90wt％的高質量

3、DWNTs，為研究DWNTs本身的結構與性能及探索其應用途徑提供了必要的物質前提與基礎。 2．發(fā)現(xiàn)了DWNTs的特殊形貌和新奇性質。在掃描電子顯微實驗中觀測到絲狀DWNTs原始煙炱在連續(xù)受到外力作用下表現(xiàn)出很強的機械力學性能，雜亂無章的碳納米管逐漸變得取向有序；發(fā)現(xiàn)DWNTs管束的V型一維納米結結構，每一個拐點處都存在一種特殊的納米異質結，這種結構形態(tài)的納米材料可能具有獨特的電子輸運特性。此工作為碳納米管異質結的可控制備以及新型

4、納米電子器件的構建提供了新的思路。 3．基于單壁和雙壁碳納米管材料，成功制備出富勒烯分子高效率填充的豆莢型新型碳納米材料。通過高真空氣相擴散的方法，成功地將富勒烯C<,60>分子填充到單壁碳納米管和雙壁碳納米管的管腔內部，合成了C<,60>@SWNTs與C<,60>@DWNTs納米豆莢新型材料。利用高分辨透射電子顯微鏡研究了被填充到碳納米管內的C<,60>分子與體相材料的結構差異，發(fā)現(xiàn)C<,60>分子在DWNTs內隨著DWNTs

5、管徑的不同具有不同的排列結構，并直接觀測到一維直鏈型和雙層排列型的C<,60>分子排列結構。這一結果很好地驗證了前人的理論預測，為今后可控制備具有獨特結構和性質的碳納米材料提供了重要的實驗依據(jù)。 4．用拉曼光譜研究了CJ<,60>@DWNTs納米豆莢的性質。發(fā)現(xiàn)在激光照射下填充到DWNTs內的 C<,60>分子容易發(fā)生雙分子聚合反應；DWNTs管壁與內部C<,60>分子之間具有弱的范得華力相互作用，并伴有電子轉移發(fā)生。這一發(fā)現(xiàn)使

6、得對碳納米管進行電子給體或者電子受體攙雜以調控碳納米管的能帶結構成為可能，亦為制備具有特殊電學性質的電子器件奠定了物質基礎。 5．制備了二茂鐵高效填充的雙壁碳納米管復合材料(Fc@DWNTs)。采用分子氣相擴散的方法將有機小分子二茂鐵填充入DWNTs納米空腔內部，制得高比例填充的Fc@DWNTs納米材料。紅外光譜研究結果表明，填充到DWNTs孔腔內的二茂鐵與DWNTs之間存在強的范得華力相互作用，且二茂鐵容易將電子轉移給DWNT

7、s從而對其進行n型摻雜。研究了Fc@DWNTs的電化學性質，發(fā)現(xiàn)Fc@DWNTs表現(xiàn)出與Fc@SWNTs 不同的循環(huán)伏安電化學性質，在低掃速情況下表現(xiàn)出薄層電化學行為，而在高掃速下表現(xiàn)為擴散電化學行為。電化學結果表明，DWNTs可以作為分子導線連接填充在其內部的二茂鐵與外部電極，這將為新型電化學傳感器的研制等提供有益的啟示。 6．利用熱重-質譜聯(lián)用儀研究了二茂鐵在雙壁納米碳管空腔內，即在納米限域空間內的熱力學性質。發(fā)現(xiàn)二茂鐵在D

8、WNTs納米空間內的熱力學分解溫度(540℃)比常規(guī)條件下(約500℃)有明顯提高，表明二茂鐵分子在納米限域條件下變得的更加穩(wěn)定，顯現(xiàn)出與不同于常規(guī)條件下的物理化學性質。 7．以雙壁納米碳管為限域性模板，成功實現(xiàn)了三壁碳納米管的可控制備。以DWNTs為納米反應模板，以填充入的二茂鐵充當碳源與催化劑，發(fā)展了一種可控制備TWNTs的方法。用高分辨透射電子顯微鏡研究了內層碳納米管的生長機理，證實內層碳納米管的生長遵循根部生長(Root