[发明专利]一种碳纳米环及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于碳纳米材料技术领域，特别是涉及一种碳纳米环及其制备方法。

背景技术

纳米环是一种新型纳米材料，纳米环的新颖结构可作为纳米器件中的一种重要结构单元，而纳米环独特而优良的性能，使其在功能材料领域展现出广阔应用前景。人们已合成多种纳米环，例如金属氧化物纳米环、金属纳米环、长链有机分子纳米环，但是，对于碳纳米环，特别是具有与石墨片层卷成的闭合环体类似结构的碳纳米环尚未见报道。

J.Liu等(J.Liu，H.Dai，J.H.Hafner，D.T.Colbert，R.E.Smalley，Fullerene′crop circles′，Nature，1997，385：780)在采用激光法制备单壁碳纳米管时合成出了碳纳米管环，该碳纳米管环是将碳纳米管首尾无缝连接形成的环。虽然也有文献将此结构称为碳纳米环，但与本发明涉及的具有与石墨片层卷成的闭合环体类似结构的碳纳米环不同。

X.Sun等(X.Sun，S.Zaric，D.Daranciang，K.Welsher，Y.Lu，X.Li，H.Dai，Optical properties of ultrashort semiconducting single-walled carbon nanotube capsules down to sub-10nm，J.Am.Chem.Soc.，2008，130：6551)用浓酸溶液处理剪切单壁碳纳米管，然后采用密度梯度超速离心方法根据碳管长度不同进行分离，获得了长度在10纳米以下甚至接近1纳米的碳纳米管，但其长度仍大于或接近单壁碳纳米管的径向尺寸，即轴向尺寸与径向尺寸的比值大于等于1，因此只能称为超短碳管。另外，用浓酸处理剪切碳纳米管对碳管结构破坏较大，因此难以获得边缘结构有序规整的超短碳纳米管。

H.Chun等(H.Chun，M.G.Hahm，Y.Homma，R.Meritz，K.Kuramochi，L.Menon，L.Ci，P.M.Ajayan，Y.J.Jung，Engineering Low-Aspect Ratio Carbon Nanostructures：Nanocups，Nanorings，and Nanocontainers，ACS Nano，2009，3：1274)以具有短纳米通道的阳极氧化铝为模板，通过化学气相沉积方法制备碳纳米杯，然后通过离子溅射减薄去除杯底，获得了径向尺寸为80纳米、轴向尺寸为几十纳米的碳纳米环，但是通常多壁碳管的最大直径在30纳米左右，更大直径下难以稳定存在；另外，从H.Chun等提供的高分辨电镜照片看，该碳纳米环也不具有石墨片层的结构特征，因此，其所获得的仅是具有环状结构的碳膜，与本发明涉及的具有与石墨片层卷成的闭合环体类似结构的碳纳米环不同。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种碳纳米环，其是一种具有类似由石墨片层卷成的闭合环体的碳环组成的碳纳米环。

本发明的目的还在于提供上述碳纳米环的制备方法。

为达到上述目的，本发明首先提供了一种碳纳米环，其是由单层或多层同轴的碳环组成，且所述碳环具有与石墨片层卷成的闭合环体类似的结构，该碳纳米环的轴向尺寸和径向尺寸均为纳米量级，且轴向尺寸小于径向尺寸。

本发明所提供的碳纳米环中的碳环也可以视为一种极短的碳纳米管，其碳原子排布与碳纳米管中碳原子排布方式基本相同。本发明提供的碳纳米环可以是由一层或多层同轴的碳环组成，这里的碳环的结构类似于石墨片卷起而形成的闭合环体。

在本发明中，“轴向尺寸”是指从碳环的一侧截面到另一侧截面的距离，即碳环的高度，“径向尺寸”是指最外层碳环的直径，如图1所示。

根据本发明的具体技术方案，本发明所提供的碳纳米环的轴向尺寸为0.5-1.0纳米，径向尺寸为2-30纳米。

根据本发明的具体技术方案，本发明所提供的碳纳米环的轴向尺寸与径向尺寸的比值为0.01-0.5。本发明所提供的碳纳米环具有较小的长径比，是一种典型的环状结构。

根据本发明的具体技术方案，本发明所提供的碳纳米环可以是单层或多层结构，碳环的层数可以为1-25层。

根据本发明的具体技术方案，当碳纳米环由多层同轴的碳环组成时，碳环的层与层之间(相邻的层之间)的距离可以相同，该距离为0.31-0.37纳米。