天然管状矿物制备碳纳米管教学实验的设计

天然管状矿物制备碳纳米管教学实验的设计⁽¹⁾

王洪权　严春杰　孙　露　李　丹

（中国地质大学材料与化学学院，湖北武汉430074）

摘　要：矿物材料深加工教学的根本目的是使学生能够在深刻理解矿物结构和性能的同时，通过实验开发矿物材料新的用途。因此，矿物材料结构和性能计算与设计性的实验，可提高学生对矿物材料更深层次的认识，由此培养学生创造性思维与科研动手能力，同时也使学生通过实验体会和认识基础理论的重要性及计算机技术在材料科学中的具体应用。本文介绍了作者在天然纳米矿物制备碳纳米材料教学实验中的一种方法。

关键词：天然矿物材料　碳纳米材料　矿物实验教学　碳纳米材料教学

引　言

资源短缺和环境污染问题已成为当今全球日益严重的问题，现实迫使采选业进一步保护有限且不可再生的资源，对其进行合理开发集约利用，以适应人类生存及矿业可持续发展实为紧迫需要。矿物深加工技术在矿产资源综合利用、资源再生回收、产品的除杂去害等方面得到了不同程度的应用与发展。它作为资源集约化利用的实现途径之一。实验教学的目的是对学生基本能力的培养，引导学生通过观察现象，来理解现象背后的本质和机理，最后达到可以独立的思考问题解决问题的能力。本文基于这一思想，简单介绍作者在矿物深加工实验教学中的思路和做法。

1　利用计算机计算矿物晶体结构

利用计算机计算出无机粘土矿物晶体的结构，可加深对矿物结构的理解，结构决定性质，最后决定矿物的应用方向。尤其是实验教学中，此方法显得更为重要。可参考如下实例。

埃洛石中空管体外壁、内壁及晶层间的表面性质各异，针对其管内、外表面及晶层间的断键及离子正负性等特点进行表面改性或插层处理，获得的产品具有较优的吸附、孔道过滤、层间离子交换杀菌性能等。与埃洛石纳米管相比，如图1所示，多壁碳纳米管也是一种一维的纳米材料，具有典型的层状中空结构特征，管身由呈六边形排列的碳原子构成的数层到数十层的同轴圆管组成，层与层之间保持约为0.34nm的固定距离，管的直径一般为2～20nm。埃洛石纳米管和碳纳米管形貌上存在相似性，但是结构上存在着的差异，所以在应用方面也不尽相同。碳纳米管可以作为分子导线、纳米半导体材料、催化剂载体、分子吸收剂和近场发射材料等，而埃洛石可用于废水、废气以及某些废渣的处理。另外埃洛石在催化剂载体、化妆品、金属防腐、功能陶瓷、复合材料等领域也都有具有良好的应用前景。

2　埃洛石制备碳纳米管

图1　埃洛石与碳纳米管对比

通过微波和模板法相结合的方法，模板材料吸附碳源葡萄糖，然后碳化管状结构模板上的碳前驱体，最后融掉模板制备碳纳米管。如图2所示，埃洛石作为模板，在高温高压水热条件下吸附碳源，葡萄糖与埃洛石表面发生化学吸附，稳定的吸附在埃洛石表面；在氮气气氛下经过高温煅烧，碳源在埃洛石表面碳化，碳原子发生结构重排，由SP³杂化在高温和模板双重作用下转变为SP²杂化；埃洛石的模板限域作用使得碳的生长沿埃洛石管表面生长。最后用HF酸洗掉模板，制成碳纳米管。

图2　埃洛石为模板制备碳纳米管工艺原理示意图

3　实验结果的观察

图3显示经过表面活化的埃洛石在Z轴方向的高度范围15～100nm，从一旁的立体图中也可以看到其高度分布不均匀，粉体颗粒分散性能好。

图3　表面活化埃洛石（300℃煅烧，10%HCl）原子力显微镜图（AFM）

图4平面图上的斑点心部为白色，周围颜色逐渐变深，甚至有些斑点上没有白色，这说明制备的碳纳米材料的样品在Z轴方向上高度不一。结合其一旁的立体图可以看到制备的碳纳米材料样品在Z轴方向上的高度比较均匀，碳纳米材料之间团聚现象不明显。

图4　碳纳米管原子力显微镜图（AFM）

图5为埃洛石、碳纳米管TEM图，图中可清晰地观察到埃洛石的管状结构，管长度范围200nm～1μm，外管直径范围100～400nm；埃洛石管均匀分散；形状彼此之间有明显差别，直线状、弯曲的管状结构，管的端点形态上存在缺陷，管的两端不规则结构。碳纳米管的长度范围500～1μm，管内径10～100nm，外管直径范围100～400nm，碳纳米管的两端也均为不规则的形状结构。所制备的碳纳米管可以很好地复制埃洛石的管状结构，两端不规则的形状尤其明显。

图5　埃洛石提纯样、碳纳米管的TEM和电子衍射花样图

5　结论与体会

矿物深加工实验的设计与设置是开创性的工作，需要在教学及实践中不断地去完善，但可以肯定，矿物深加工实验课可培养学生的观察想象能力、动手和分析能力，创造性的探索能力。同时，矿物深加工实验课有助于教学者本身提高科学研究能力，为矿产资源节约与综合利用提供宝贵的实验数据。

参考文献

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【注释】

(1)国土资源部示范工程项目云南省矿产资源节约与综合利用示范工程“云南省临沧市临翔区永泉高岭土矿区综合开发利用及无尾矿工程”中“利用埃洛石制备硅纳米管、碳纳米管新技术”（项目编号：2010034039）。