高纯度螺旋碳基纳米材料的合成及其磁学和发光性能研究

Due to the use of transition-metal catalysts and the difficult remove of the catalyst particles, the intrinsically physical and chemical properties of carbon-based nanomaterials were not understood well. Recently, the proposer obtains the important result on the synthesis of carbon nanomaterials (CNMs). We reported that the water-soluble salts could be used as the catalyst for the CNM growth and the as-synthesized CNMs can be obtained in high purity after steps of the water washing. CNMs obtained by this method are the ideal system to study the intrinsic property of carbon materials. Therefore, in order to understand the magnetic origin and optical property of carbon-based nanomaterials well, we choose the high purity of helical carbon-based nanomaterials as the research object. The main study content and objective include: The selective synthesis of different helicities of CNMs and carbon-nitrogen nanomaterials over the water-soluble salts. To investigate the effect of the CNM parameter such as the helicity and the doping content of nitrogen on the magnetic and photoluminescence properties by SQUIT and optical test system. To study the internal relevance between the microstructure and optical property by the fist principle.The major study objective：To establish the physical model for revealing the relationship between the microstructure parameter such as helicity, content and the properties (such as magnetic and optical properties) of carbon-based nanomaterials. To reveal the origin of intrinsically magnetic and optical properties. Fulfill the cognition of the intrinsical properties of carbon-based nanomaterials.

碳基纳米材料的传统合成需要使用过渡族金属催化剂，难以去除的金属颗粒严重地制约了其本征物理性能的准确认识。最近，申请人在碳纳米材料合成方面取得重要进展。利用水溶性盐作为催化剂合成出碳纳米材料，利用此方法获得的高纯度碳纳米材料是碳材料本征物性研究的理想体系。因此，针对目前碳纳米材料在磁性起源和光学研究上存在的分歧和空白，本申请拟以高纯度的螺旋碳基纳米材料为研究对象。利用水溶性盐作为催化剂，可控合成出高纯度不同螺旋度的碳纳米材料和碳氮纳米材料；借助于超导量子干涉仪和光学测试系统手段，系统地研究碳基纳米材料螺旋度等参数对其磁性和光致发光特性的影响；并利用第一性原理计算研究碳纳米材料螺旋度、N元素掺杂量与其磁性和光学特性的内在关联。主要研究目标是建立物理模型揭示碳基纳米材料本征磁学和发光特性与其螺旋度、组分等参数之间的内在关联，找出碳纳米材料的磁性起源，实现碳基纳米材料本征物性的真正认识和人为调控。

众所周知，碳基纳米材料的传统合成需要使用过渡族金属催化剂，难以去除的金属颗粒严重地制约了其本征物理性能的准确认识。为了能够很好地解决该问题，合成出高纯度无损坏的碳纳米材料是本项目研究的基础和关键。建立在前期文献所得结果之上，我们认为碳纳米材料生长所需催化剂的选择和制备是关键。因此，本项目先后开展了金属氧化物和水溶性盐直接催化生长碳纳米材料及其发光性能和电磁特性研究。研究结果表明利用非过渡金属氧化物如Al2O3基片直接作为催化剂，采用化学气相沉积法，通过调变气相沉积的温度，可以可控地合成出不同结构的碳纳米材料。并且，所合成的碳纳米材料在紫外和可见光区域表现出比较好的光致发光性能。其次，我们利用水热法合成出其他类型的金属氧化纳米颗粒如Fe2O3空心纳米颗粒，通过在其表面连续发生氧化还原和催化化学气相过程能够高效地合成出具有核壳结构的碳纳米复合物。并且通过调变催化剂的形貌和反应的温度，可以可控地合成出不同结构的碳纳米复合物。由于碳材料对磁性纳米颗粒的有效紧密包裹，所合成的碳纳米复合物表现出非常好的化学稳定性以及磁损耗和介电损耗补偿效应，进而导致其表现出非常好的磁学性能、电磁特性和微波吸收性能。建在在前期所得结果之上，我们认为水溶性氧化物盐亦可有望作为催化剂用于生长碳纳米材料，并且由于催化剂的水溶性，有望实现高纯无损坏碳纳米材料的合成。所开展的相关实验结果很好地证实了该实验想法的正确性。首先，我们利用溶胶凝胶法合成出不同种类的水溶性氧化物盐如KNO3、K2CO3等，通过温度的调变，可以可控地合成出不同结构的碳纳米材料。并且，经过简单的水洗过程即可获得高纯无损坏的碳纳米材料。研究结果表明催化剂的存在给碳纳米材料的本征物性的表征带来了很大的困难，我们较为系统地研究了该种条件下碳纳米材料的生长机制及其本征电磁和吸波特性，为后期高性能吸波材料的设计奠定了坚实的实验和理论基础。