碳微球表面化學（簡體書）

《碳微球表面化學》在了解國內外碳微球研究進展的基礎上，結合作者和團隊在研究碳微球及洋蔥狀富勒烯類碳材料的制備、性能和應用的成果，進行總結編寫而成。從碳微球的結構、性能及應用出發，詳細介紹了碳微球的氣相沉積法制備及其功能化，以及作為吸附、光電、催化材料等，并預測了其應用前景。希望《碳微球表面化學》能使從事碳材料研究與開發的科研工作者、研究生和相關人士對包括碳微球在內的洋蔥狀富勒烯類碳材料有一個系統深入的了解，推動碳材料的研究和應用。

碳材料是與人類文明進步息息相關的重要材料，各種不同形態的碳單質以及碳化合物在人類社會的發展中做出了巨大的貢獻。除金剛石、無定形碳和石墨以外，1985年籠型碳分子C60的發現和1990年C60的宏量制備引發了國際性富勒烯的研究熱潮，推動了碳納米管和洋蔥狀富勒烯（onion likefullerenes，OLFs）等數種具有特殊結構和性質的新型碳材料的發現，開辟了全新的科學研究領域。
富勒烯是籠狀碳原子簇的總稱，其特殊的結構，昭示著其具有奇特的物理、化學性能。OLFs自1992年被Ugarte教授報道後，已引起全世界科學家的廣泛關注和極大興趣。它是繼C60、碳納米管之後，富勒烯家族中的又一新成員，其理想模型是由若干層以C60為核心的同心石墨球殼層組成較大的碳原子團簇，最內層由60個碳原子組成，各層碳原子數按60n2（n為層數）遞增，層與層間距約0 34nm。
近年來，尺寸大小（從納米級到微米級）和結構不同的OLFs類球形碳材料已經成功地通過不同的方法制備出來，大大豐富了碳材料的研究領域。碳微球（carbonmicrobeads，CMBs）可以稱為石墨化程度不高的長大的OLFs，直徑在100nm～1μm之間，且有獨特的結構和優異的物化性能，如化學穩定性、熱穩定性、低密度、優良的導電和導熱性等；功能化的CMBs還具有某些特殊的催化、磁學、電學和光學性能，主要應用于增強復合材料、鋰離子電池電極材料、催化劑載體、吸附材料、光伏材料、響應性材料、生物醫療材料等方面，也是一種具有極大開發潛力和應用前景的碳材料。
但是，CMBs的化學性質非常穩定，不溶于水和有機溶劑，常規制備方法得到的CMBs團聚現象嚴重，極大地限制了其在水相、有機相中的分散性能，對其功能化反應造成了很大的障礙，從而限制了其在光電材料、生物醫學、化學工業等領域的應用。因此，對CMBs進行表面化學設計，改善其表面活性，進而改善其物化性能，是功能性材料應用的基礎。改善其表面的親水性、親油性，改善CMBs與聚合物及其他材料的相容性，提高CMBs的分散性或在基體中的分散性，是其應用基礎研究中的一個重大課題。
近年來，作者所在課題組圍繞CMBs及其他OLFs類納米碳材料的制備、表面化學設計、功能化應用等課題已進行和正在進行比較系統的探索。本書的主要內容是從OLFs類碳材料的結構、特點出發，基于CMBs的制備、改性、性能和應用，總結作者攻讀博士學位以來，作者和團隊在CMBs及其相關的研究成果和展望，詳細介紹了CMBs的氣相沉積法可控制備和其功能化，以作為吸附、光電、催化材料等，并預測了其應用前景。同時也介紹了國內外在此方面的相關內容，每章均列出了參考文獻，在此向原著及出版機構表示衷心的感謝！
這些研究成果是在國家‘973’計劃課題（2004CB217808）、國家自然科學基金（20471041，20676086，20971094，21176169，51152001，51002102）、教育部長江學者與創新團隊支持計劃（IRT0972）、國家科技部國際科技合作項目（2007DFA50940）、教育部博士點基金資助項目（20101402110007）、山西省自然科學基金（20090110124）、山西省國際科技合作項目（2009081018，2009081046，2010081017）、山西省回國留學人員科研項目（2008 31）、山西省青年科技研究基金（2009021026）、太原市科技明星專項（08121024）等基金的支持下獲得的，特此致謝！
在書稿即將付梓之際，內心的漣漪亦無法平息，有不少可敬的師長、同學、朋友和學生給予了鼎力支持，不免有太多的感激。想起幾年來的點點滴滴，想起恩師許并社教授和劉旭光教授，他們對科學的執著和無私的奉獻，深深地影響和激勵著我，沒有他們就沒有現在的我，在此衷心地致以敬謝！
在本書編寫過程中，劉旭光教授和賈虎生教授給予我很大的支持和精心的指導！書中的數據和資料涉及到團隊成員韓培德教授、郭興梅副教授、張竹霞、馬非、李蘭松、趙雪霞、藺嫻、郭俊杰、吉衛云、張春一、王存景、劉紅艷、文海榮、羅秋蘋、楊曉偉、郭明聰、任文芳、金琳、李莎、韓艷星、劉偉峰、段菲菲、趙慧君、張燕、宋靜靜等人的研究工作，在此一并表示感謝！
感謝太原理工大學新材料界面科學與工程教育部重點實驗室、新材料工程技術研究中心、材料科學與工程學院、科技處老師和同仁的大力相助！
由于作者水平所限，難免有不當之處；且CMBs的研究日新月異，書中難免有疏漏之處，懇請專家和讀者批評指正。
編者
2012年1月于太原理工大學

第1章緒論1
1 1碳微球制備2
1 1 1直接熱縮聚法2
1 1 2乳化法2
1 1 3懸浮法2
1 1 4化學氣相沉積法3
1 1 5溶劑熱法4
1 1 6模板法5
1 1 7其他方法6
1 2碳微球性能和應用6
1 2 1高密度高強度碳復合材料6
1 2 2催化劑載體6
1 2 3鋰離子電極材料8
1 2 4吸附材料8
1 2 5用作電化學電容器的電極材料9
1 2 6光電材料9
1 2 7光伏材料10
1 2 8環境響應性材料10
1 2 9作為模板制備空心球狀材料11
1 2 10其他應用11
1 3碳微球表面改性11
1 3 1碳微球表面改性的作用和意義11
1 3 2改性方法12
參考文獻14

第2章碳微球的化學氣相可控制備21
2 1實心碳微球22
2 1 1反應溫度的影響22
2 1 2氬氣流量的影響23
2 1 3反應區域的影響24
2 1 4催化劑和載氣種類的影響26
2 2石墨微球31
2 3中空碳微球34
2 3 1結構分析34
2 3 2生長機理38
參考文獻39

第3章碳微球表面活化42
3 1酸處理法43
3 1 1熱酸氧化法43
3 1 2紫外輻照混酸氧化法48
3 2離子化法52
3 3高錳酸鉀活化56
3 3 1KMnO4氧化56
3 3 2KMnO4 HNO3氧化58
3 3 3KMnO4 H2SO4氧化59
3 4其他表面活化法60
3 4 1等離子體氧化法60
3 4 2酸蒸氣活化法62
參考文獻62

第4章碳微球表面分子印跡材料65
4 1原位聚合法合成表面分子印跡材料（MIPPMAA CMBs）68
4 1 1MIPPMAA CMBs合成68
4 1 2吸附性能評價71
4 2引發轉移終止接枝聚合法合成（MIPPMAA CMBs）73
4 2 1MIPPMAA CMBs合成73
4 2 2吸附性能測定78
4 3傳統接枝聚合法合成表面分子印跡材料（MIPPAMPS CMBs）79
4 3 1MIPPAMPS CMBs合成80
4 3 2動態吸附性能評價91
4 4潛在方法92
4 4 a1可逆加成斷裂鏈轉移法合成碳微球表面分子印跡材料93
4 4 2多孔碳微球表面分子印跡材料93
參考文獻94

第5章光電材料97
5 1SiO2包覆碳微球(CMB@SiO2)復合膜101
5 1 1CMB@SiO2復合球合成101
5 1 2CMB@SiO2復合球的自組裝103
5 2殼聚糖包覆碳微球(CMB@殼聚糖)復合膜106
5 2 1CMB@殼聚糖復合球合成106
5 2 2CMB@殼聚糖復合球的自組裝109
5 3ZnO包覆碳微球(CMB@ZnO)復合膜113
5 4碳微球 聚甲基丙烯酸甲酯復合材料114
5 5碳微球的熒光量子效應及其潛在研究115
5 5 1不同濃度的碳微球及其復合物在乙醇中的熒光性能116
5 5 2不同濃度的碳微球及其復合物在CCl4中的熒光性能116
5 5 3碳微球及其復合物在水中的熒光性能116
參考文獻118

第6章其他潛在的應用121
6 1燃料電池催化材料121
6 2光伏材料127
6 3環境響應性材料131
6 4生物制藥材料133
6 5生態材料134
參考文獻135

第7章結語和展望140