富勒烯作为一种具有多项优异性能的新型纳米碳材料,人们对它的未来有无限憧憬。虽然受高成本和制备技术所限,目前其应用仍处在起步阶段,但可以预期的巨大市场容量仍促使各国对富勒烯的制备和应用研发投入巨资,力图处于领先地位,为今后占领市场做好准备。发达国家无不将其纳入国家研发战略,我国也将燃烧法批量制备富勒烯项目列入国家“863”计划,而且首套试验装置今年已在中橡集团炭黑工业研究设计院建成点火。 神奇的纳米碳材料 富勒烯是继金刚石和石墨之后,近年来发现的碳的第三类同素异形体。C60是最常见的富勒烯分子,在发现C60之后,已相继发现了众多富勒烯分子,其中有碳原子数高于60的富勒烯分子,以及碳原子数多于100的大分子富勒烯,另外也发现了碳原子数低于60的小分子富勒烯,现已形成较为完整、颇为壮观的富勒烯家族。 根据美国一家咨询公司的调查,虽然全球富勒烯的市场价值2006年仅为9200万美元,但今后会以年均70%的速度增长,2011年将达13亿美元,到2016年有可能超过47亿美元。为此,发达国家的政府正在投入大量资金,支持和鼓励富勒烯的制备和应用研发工作。 广阔的应用前景 富勒烯作为一种新型纳米碳材料,在超导、磁性、光学、催化材料及生物等方面表现出优异的性能,有极为广阔的应用前景。在功能高分子材料领域,已有研究成果表明,将C60/C70的混和物渗入发光高分子材料聚乙烯咔唑中,得到的新型高分子光电导体在静电复印、静电成像以及光探测等技术中可广泛应用。此外,在炭黑中添加少量含有一定量的富勒烯烟炱,可以降低胶料的滚动阻力。 催化剂是化工生产的重要原料,将富勒烯与铂、锇结合成配位化合物,有可能成为高效的催化剂。目前科研人员正在对此进行研究,并发现这种配位化合物在硅氢加成反应中具有很高的催化活性。 在生物及医用材料领域,富勒烯经光激发后有很高的单线态氧的产率,可应用于光化治疗技术,用以控制甚至杀死癌细胞;富勒烯的衍生物可防治艾滋病。 此外,将富勒烯作为固体火箭推进剂的添加剂,其衍生物可以显著提高炸药的性能。富勒烯还可作为润滑油添加剂,添加少量富勒烯的润滑油,能显著提高润滑性能。 超导材料和光学材料也是富勒烯的重要应用领域。内嵌碱金属的富勒烯超导体是一类极具价值的新型超导材料。富勒烯还具有良好的光学及非线性光学性能,可用于生产保护人眼免受强光损伤的光限制产品,并在光计算、光记忆、光信号处理及控制等方面有良好应用前景。 积极开发工业化技术 富勒烯的应用前景广阔,但目前其实际应用仍处在起步阶段,还没有真正成为商品进入市场,主要原因是目前还不能进行大量低成本的生产,价格昂贵直接影响到富勒烯的应用和进一步开发。目前国际上对富勒烯的研发主要集中在开发使用低价原料、连续、大量(特别是工业化规模)生产富勒烯的技术和装置。 目前已知有多种方法可以制备富勒烯。例如,在一定压力和氦或氩的条件下,用电阻加热高纯碳使之蒸发成为气态的电阻加热法;利用高纯石墨电极进行直流或交流电弧放电,使之蒸发的电弧法;在氩气中用激光照射旋转的高纯石墨盘,使碳蒸发的激光照射法;以及严格控制苯等碳氢化合物和氧气,使之不完全燃烧的燃烧法(亦称火焰合成法)等。 直流电弧法是目前采用较多的方法,其技术较简单,但只能间歇生产,产能有限,而且消耗大量电能和高价的高纯石墨材料,富勒烯的制备成本较高,价格比黄金还昂贵;燃烧法可用比较廉价的含碳材料大量生产富勒烯,但其工艺和设备比较复杂,技术难度大,目前只有日本和美国能够生产。 我国诞生燃烧法试验装置 在我国,一些科研机构和高校在富勒烯制备和应用研究方面已取得可喜成果,其中一部分具有世界领先水平,但是在燃烧法制备富勒烯方面,仅进行过实验室的探索性试验。 为了实现富勒烯的产业化,在富勒烯制备和金属富勒烯研究方面领先的中科院化学所,在富勒烯衍生物和内嵌富勒烯研究方面已经取得成果的西南科技大学,与碳材料研究和工程能力较强的中橡集团炭黑工业研究设计院三家共同组成了产、学、研联合体,充分发挥各自优势,向科技部申报了燃烧法批量制备富勒烯项目,该项目已被纳入2007年国家“863”计划课题。 其中,炭黑院承担了燃烧法制备富勒烯的技术开发和试验装置的开发设计和建设任务。经过近一年的努力,科研人员克服各种困难,解决了多个技术难点,已在炭黑院生产基地建成国内首套燃烧法制备试验装置,并于2008年1月17日在试验现场举行了点火仪式。该试验装置的投运,将为燃烧法制备富勒烯的自主创新开发和产业化提供经验和设计数据,并为实现富勒烯在我国的大批量生产和应用创造条件。 |
(琛) |
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