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1.1 新型碳纳米材料的发展
1.1.1 碳的同素异形体
碳元素是自然界中分布最为广泛的基础元素之一，是形成有机物质的必要组分。碳元素符号是C，来自拉丁名称Carbonium，就是煤的意思。碳的原子序数为6，原子量为12，它以其特有的成键方式形成了丰富多彩的碳家族。
1985 年美国的R. F. Curl、英国的H. W. Kyoto 和另一位美国人R. E. Smalley发现了被称为富勒烯的C60 家族。 1991 年日本的S. Iijima 发现了碳纳米管，这类新的碳物质的发现掀起了纳米碳材料的研究热潮。图1为几种主要类型碳同素异形体的结构示意图。
1.1 碳的同素异形体的结构示意图
1.1.2碳纳米管
碳纳米管在 1991 年以前久已被一些研究人员看到甚至被制造出来，但由于当时人类科学知识的局限，特别是对纳米科技和富勒烯尚不了解，因而并未认识到它是碳的一种新的重要形态。直到1991 年，S.Iijima 博士在用高分辨透射电镜观察电弧蒸发后在石墨阴极上产生的硬质沉积物时，意外发现了在阴极碳黑中有一些由直径为430nm，长约数微米、2－50 个同心管构成的针状物，这就是今天被广泛关注的碳纳米管(见图1.2)。这是继1985年Kroto 和Smalley 等人发现C60 以来碳科学领域的又一重大发现。
1.2 碳纳米管
1.1.3 碳纳米笼
空心碳纳米笼通常是作为碳纳米管的付产物而产生的。大多数碳纳米笼的孔径在2～100nm 之间，表面结构类似于多孔碳，其拥有较大的比表面积，因此可以被广泛地应用于纳米反应容器、吸附剂、光学仪器和电化学中的超级电容器等。另一方面，碳纳米笼还可以药物传输、酶和蛋白质的保护以及感应器和储存材料。可以看出其应用前景相当广阔，随着人们对其认识的不断更新，碳纳米笼的应用前景将更加广泛。
1.1.4碳包覆金属纳米粒子的制备
碳纳米材料的发展是从纯碳形式的纳米材料，如富勒烯、碳纳米管、碳葱等，逐步发展到碳和各种材料(金属材料、非金属材料等)组成结构、性能多样化的复合材料。碳包覆金属纳米材料(Carbon encapsulated metal nanomaterials, M@C)作为一种新型的金属－碳复合纳米材料，其制备、性能与应用的研究已成为碳科学与材料科学领域的研究热点。碳包覆金属纳米颗粒是一种类富勒烯碳葱填充金属颗粒，形成的一种具有核/壳结构的纳米材料，这种材料最初是由美国Rouff 小组在1993 年采用电弧法蒸发气化掺La的阳极石墨棒时在所得到的烟灰中发现的，它是由多层石墨层片壳包覆La纳米颗粒核的新型纳米材料。碳包覆La纳米材料的成功合成引起了科学家对碳包覆金属纳米材料的广泛关注。因为这种碳包覆金属颗粒不仅具有独特的物理化学性质，而且碳包覆层对所包覆的金属粒子具有保护作用，拓展了这类纳米颗粒材料的应用范围，使这种材料在化学、材料、物理等领域有着巨大的潜在应用价值。
1.2空心碳纳米笼的制备
1.2.1碳纳米笼高比面积概述
碳纳米笼应用于储氢材料催化剂载体超级电容器等方面时要求其有一定的孔结构和高比表面积闭口单壁碳纳米笼的比表面积理论计算值可达1315m2/g而以分散状态存在的开口单壁碳纳米笼由于其所有碳原子均为表面原子这种结构使其比表面积有可能达到碳质材料的极限表面积2630m2/g 因而可控孔结构和大比表面积的碳纳米管的制备是新的研究方向。而在制备氮掺杂石墨化纳米碳材料存在比表面积小、含氮量低、产率低、石墨化程度差和成本高的问题。具体方法如下：一、制备配合物；二、固化，碳化；三、酸浸法处理，干燥。如何探寻以及改进现在有技术方法来达到具有石墨化程度提高、氮含量增加、比表面积显著增大，且具有明显的孔径分布的碳纳米笼。即是对石墨笼的表面改性研究。