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3.2.4 N2吸附-脱附曲线分析 19
3.3 氮掺杂石墨纳米笼的电化学性能 21
3.3.1 循环伏安测试 21
3.3.2 倍率性能测试 22
4 结论 24
致 谢 25
参考文献 26
1 绪论
1.1 引言
纳米材料按其在不同维度上具有的纳米尺寸可分为3类。具有纳米微粒尺寸以及原子团簇的零维纳米材料；两个方向上的晶粒尺寸都在纳米范围之内的一维纳米材料；具有纳米尺寸的二维纳米材料。碳纳米材料具有多样的形貌和结构，可大致地分为无定形碳、石墨、金刚石、纳米碳葱、纳米碳管、碳纳米笼、碳纳米纤维、石墨稀等。
在1993年，美国成功制备了一种新型的金属与碳相互作用而形成的碳包覆纳米材料(Carbon encapsulated metal nanomaterials, M@C)。碳纳米笼具有中空结构的一种纳米尺寸的碳材料，原本是在制备碳纳米管过程中的无意中发现的一类副产物[1.2]，但是由于碳纳米笼中空的结构，使其耐高温，抗氧化，不易腐蚀，具有优良的物理化学性能，热稳定性，电子和光学特性，所以空心碳纳米笼的制备与研究开发受到了越来越广泛的重视。在锂电池，催化，传感，生物成像，药物输送等诸多领域具有相当好的应用前景。
人们制备碳纳米笼的方式有多种，例如常见的模板法、电弧法、化学气相沉积法、自组装模板法，激光诱导蒸发等等。这些方法的原理都是先形成碳包覆纳米颗粒结构，再将其中的核去除，从而得到具有笼状结构的碳纳米笼。由于大多数碳纳米笼其拥有大的比表面积和好的结构稳定性，所以应用前景广阔，被广泛应用于燃料电池、吸附剂、催化剂载体、超级电容器等领域。
1.2 新型碳纳米材料的发展
1.2.1 碳的同素异形体
在过去，人们对碳元素的认识有限，认为以单质形式存在的碳，只有金刚石和石墨。金刚石是自然界中最硬的矿石，石墨是自然界中最软的矿石。
随着科学研究的不断深入，1985年美国科学家R. F. Curl等发现了富勒烯C60[3]，一种具有强对称性结构的分子，在超导体，功能材料，生物医学等诸多领域有巨大的应用前景。1991年日本科学家S. Iijima发现了碳纳米管（CNT）[4]，其电子传导速率快，具有优良的电性质。2004年英国科学家Geim和Novoselov[5]，共同发现了石墨烯(Graphene)，其组成为六边形晶格，具有理想的二维晶体结构。由于石墨烯，电子传输速率快-751!文`论~文-网www.751com.cn，比表面积高，故常应用于超级电容器等方面。这些新型碳材料的制备，性能，应用已经成为了科学研究的热点，在其科学及相关领域，已经得到了快速发展。
各种碳的同素异形体的结构示意图[6.7]
1.2.2 富勒烯
作为被发现的第三种碳的同素异形体，富勒烯（C60）是指由碳元素组成并以球状，管状，椭圆状的形态结构，存在的一类物质。C60分子是一种由60个碳原子组成的分子，由于其形状类似于足球，故又名“足球烯”。富勒烯的结构与石墨结构形似，由20个正六元环和12个正五元环组成，即不同于石墨仅存在六元环的结构，富勒烯的结构中会出现五元环。早在1985年，英国科学家H.W.Kroto与美国科学家R.E.Smalley在Rice大学采用激光蒸发石墨电极，在其灰烬中的产物里发现了富勒烯[8]。为了表达对建筑学家BuckminsterfullerFuller的尊敬之意，在他的姓名后加了一个词尾-ene来命名C60及其一系列碳原子簇，即“富勒烯”(Fullerene)，其结构如下图1.2所示。