气相爆轰合成碳纳米材料的研究进展

气相爆轰合成是一种新型的碳纳米材料制备方法,相对于其他碳纳米材料制备方法而言具有反应速度快、产物种类多、产量大、纯度高、操作简单和经济性高等优点,有利于促进碳纳米材料的工业化生产。为深入阐明气相爆轰法合成碳纳米材料的研究与发展状况,介绍了气相爆轰法合成所需仪器设备、实验流程、理论计算以及产物的表征方法等,整理归纳了气相爆轰法合成碳包覆纳米金属粒子、碳纳米球、碳纳米管、碳点和碳纳米胶囊等技术与方法,分析了合成产物的形貌、结构及性能特征,展望了气相爆轰下各种新型碳纳米材料的应用潜力与技术发展趋势,以期为合理设计、针对性优化、规模化合成纳米材料奠定理论基础。研究表明:爆轰合成应结合宏观的爆轰理论和微细观的粒子生长。当前借助爆轰波发动机与爆轰胞格结构研究热点,使宏观爆轰胞格与纳米材料微观合成过程构成联系是重点研究方向。然而,在研究爆轰合成粒子的生长机理时,聚集在微细尺度上的纳米粒子生长仍然也是一种跨尺度问题,有必要引入分子动力学和格子波尔兹曼计算方法加以解决。

从前沿科学进展中提炼问题解决思路设计项目式课程——以“从基础的单质结构到多变的碳纳米材料家族”主题为例

基于促进学生“学会思考”的项目式课程设计理念,以“从基础的单质结构到多变的碳纳米材料家族”为主题设计项目式课程,通过挖掘真人真事,关联学生已有学科知识,提炼科学家的问题解决思路并转化成学生的学习思路,设计了包括3个任务、7个活动的项目式课程,带领学生探索碳纳米材料的空间结构、亲手制备碳量子点新型材料,并应用碳纳米管制备电子皮肤。重点阐述了如何按照“定位和挖掘背后的真人真事、外显科学家问题解决思路、转化为项目式教学内容”的“三步走”策略开发项目式课程,同时介绍了课程的教学策略和实施建议。

微波法制备碳纳米材料的机理及进展

微波法具有加热快速、易于控制、反应均匀等优点,是制备功能性碳纳米材料的重要技术。其制备原理是基于碳基材料优异的本征介电性能,碳基材料与微波电磁场相互作用产生介电损耗,快速形成局部高能场,实现高速制备。本文首先简要介绍了微波与物质的相互作用机理,然后分别从微波在制备过程中的作用、关键实验参数以及微波制备的碳材料的特征等方面详细介绍了微波作为能量输入制备一维碳纳米管、二维石墨烯以及三维纳米多孔碳的优势,最后对宏量快速制备多功能和高性能碳纳米材料的发展进行了展望。

碳纳米材料对含能材料降感研究进展

为了充分利用碳纳米材料的性能优势,本文总结了碳纳米材料对含能材料降感的研究进展。分析了典型碳纳米材料,如石墨、碳纳米管、石墨烯及其衍生物和富勒烯及其衍生物对降低含能材料撞击感度、冲击波感度和摩擦感度的作用,并探讨了不同碳纳米材料的降感机制。最后对碳纳米材料在该领域的发展前景进行了展望,认为优化碳纳米材料与含能材料的复合材料制备工艺、深入理解碳纳米材料性质并进行功能化修饰、调控碳纳米材料与含能材料的界面相互作用以及进一步探究碳纳米材料的降感机制将是今后研究的重点工作。

碳纳米材料在周围神经再生领域的研究与应用

背景:虽然神经导管为周围神经修复提供了潜在的治疗手段,但传统神经导管只能为修复过程提供机械通道支持,治疗效果仍有待提高。碳纳米材料具有良好的理化性质,在电化学及组织工程等领域有着广阔的应用前景。负载碳纳米材料的神经导管,在经过适宜的功能化修饰后,有望进一步提升神经修复质量。目的:对近年来负载碳纳米材料的神经导管/支架应用于周围神经修复的研究进展作一综述。方法:在PubMed、Web of Science、中国知网和万方数据库中检索在周围神经再生方面应用碳纳米材料导管的相关文献,英文检索词为“carbon nanomaterials,carbon-based nanomaterials,nerve conduit,nerve guidance conduit,scaffold,nerve regeneration,peripheral nerve repair,peripheral nerve injury”,中文检索词为“碳纳米材料,碳材料,石墨烯,碳纳米管,神经导管,神经支架,神经修复,神经再生,周围神经损伤”,最终纳入69篇文章进行综述。结果与结论:①碳纳米材料主要通过激活钙离子通道及诱导胞内钙活动发生的方式恢复受损神经生物电信号传导,不同神经导管设计策略的应用提高了神经修复的效果。②神经内血管化是修复周围神经损伤的前提,碳纳米材料生成的活性氧及活性氮触发了后续相关信号通路,促进神经内新生血管形成。③M1和M2型巨噬细胞的比例变化会影响周围神经损伤的修复,碳纳米材料在损伤早期通过促进巨噬细胞向M2型极化以发挥抗炎和促神经再生作用。④部分碳纳米材料在胞内诱导过量活性氧生成,可能具有不利于神经修复的细胞毒性,但合适的功能化修饰能够改善碳纳米材料产生的不良作用。⑤碳纳米材料虽然能够恢复周围神经损伤微环境,发挥促进周围神经再生的积极作用,但由于固有的细胞毒性及不明确的体内转归降解途径,碳纳米材料距离临床应用仍有距离。未来研究可以通过如功能化改性等方法提高碳纳米材料的生物相容性,而经过改良的碳纳米材料在神经组织工程领域有着较好的应用前景。

生物医学领域碳纳米材料10年研究前沿与热点

背景:生物医学领域碳纳米材料的研究蓬勃发展,相关科研成果逐年增加,但此领域的年发文量、国家、机构、作者的研究情况及研究热点与趋势等内容的可视化分析相对匮乏。目的:展现生物医学领域碳纳米材料研究现状,揭示主要的研究主体,探索研究热点及发展趋势,为此领域未来发展提供参考。方法:以Web of Science核心集数据库为文献来源,检索2012-2023年生物医学领域碳纳米材料的相关文献,运用Citespace软件以国家、机构、作者、关键词、共被引为节点生成知识图谱并进行可视化分析。结果与结论:①共纳入2932篇文献,碳纳米材料在医学领域年发文量多且增长速度较快;美国发文量较多;中国是该领域的新兴力量,发文量虽然最多,但研究水平和影响力还有待提高;中国科学院是最大的合作网络机构,主要以国内机构为合作对象,缺少与国外知名单位的合作。②关键词分析显示,碳点的绿色合成方式及应用是近年来的研究热点;其次碳纳米材料与癌症光疗、免疫疗法相结合的新方法是未来研究中的重点方向。③共被引动态发展趋势提示,组织工程是生物医学领域碳纳米材料的热点研究主题,主要包括碳纳米材料对于心脏和神经组织修复和再生的研究以及作为3D和4D生物打印的生物墨水添加剂。④未来随着生物医学领域朝着以治疗为中心的精准方向发展,科研人员应加快创建科学有效的碳纳米材料与科技、新型聚合物或有机分子及新治疗方法等结合形成的碳基体系,发挥碳纳米材料的最大效应。

碳纳米材料及其应用研究进展

综述了零维(0D)、一维(1D)、二维(2D)和三维(3D)碳纳米材料的微观结构特点以及制备方法,介绍了其优异的光、电、热、力学和化学稳定等物理化学性能,总结了不同维度的碳纳米材料在能源转换、生物医药、传感器、超级电容器、复合材料等领域的应用,并结合近几年的最新研究,对碳纳米材料未来发展趋势进行了展望。

碳纳米材料在天然橡胶中的分散及补强研究

对不同碳纳米材料进行结构分析,通过机械混炼将不同用量的碳纳米材料添加到天然橡胶(NR)中,研究碳纳米材料在NR中的分散状态及对胶料硫化特性和物理性能的影响。结果表明:随着碳纳米材料用量的增大,胶料的Fmax-FL增大,t90缩短;当碳纳米材料用量小于6份时,可以在橡胶基体中均匀分散;在低应变下,4种碳纳米材料对NR的补强作用从大到小的顺序为多壁碳纳米管、物理法石墨烯、等离子体法石墨烯、炭黑N234,但在高应变下多壁碳纳米管会影响NR的结晶自补强性能。

碳纳米材料电磁参数与反射系数测试差异分析

基于不同种类的碳纳米管粉体及其磁性掺杂复合物,利用矢量网络分析仪、采用同轴法测试分析1~18 GHz频率范围内的电磁特性参数,即将该类材料作为一类吸波剂,经过与石蜡混合后,压制约外径7 mm、内径3 mm、厚度2 mm的样品环,然后测试介电常数和磁导率,进而计算反射系数。实物样品的反射率测试需要的样品尺寸规格与粉体样品之间基体不同,且两者之间存在显著的差异性。分析测试过程中可能存在的不确定或不规范因素,并提出可供借鉴的措施,有助于缩小两者之间的差异性,以提高测试准确度。

在含二氧化硅的介电基体表面制备碳纳米材料的研究进展

碳纳米材料作为21世纪的明星材料,具有优异的光、电与力学性能。其制备过程中需要金属基底进行沉积与催化,然后将制备的碳纳米材料从金属基底转移到含SiO_(2)的介电基体进一步构筑电子器件。但在转移过程中会引入碳纳米材料的褶皱、破损等结构缺陷,以及金属和试剂残留,造成电子器件性能下降。因此,直接在含SiO_(2)介电基体表面制备碳纳米材料具有重要意义。总结了近年在含SiO_(2)介电基体表面制备碳纳米材料的研究进展,阐述了金属扩散-析出法、化学气相沉积法、分子束外延生长法等多种制备手段;介绍了石英玻璃、玻璃纤维两种主要含SiO_(2)介电基体生长碳纳米材料的特点与性能,并提出了在含SiO_(2)介电基体表面制备碳纳米材料的研究难点与趋势。

基于碳纳米材料构建传感器用于抗坏血酸、尿酸和多巴胺检测的研究进展

对应用于抗坏血酸、尿酸和多巴胺同时检测的碳纳米材料和电化学方法进行了简单阐述,重点从不同碳纳米材料的物理化学特性介绍了其在电化学传感器构建中发挥材料自身优势促进生物分子在传感器表面被灵敏准确识别的传感方法。总结了近年来基于石墨烯、碳纳米管、碳纳米纤维、纳米多孔碳和氮掺杂碳纳米材料等碳纳米材料构建传感器应用于三种生物分子同时检测的研究进展;分析了当前电化学传感器构建的不足及面临的挑战,并对今后电化学领域应用于生物活性分子快速检测的研究方向进行了展望。

温泉微生物合成的碳纳米材料在生物成像方面的应用

本研究以温泉分离的地衣芽孢杆菌(Bacillus licheniformis)为前体材料,通过一步水热法合成了绿色生物材料(N-CDs),N-CDs具有独特的光学特性、优异的生物相容性和可忽略不计的生物毒性,是生物多色成像的理想荧光染料。利用N-CDs作为生物成像的荧光探针进行实验,结果表明N-CDs能成功染色洋葱细胞的细胞膜结构,不会造成质壁分离;可对酵母细胞的细胞膜进行荧光染色,且酵母细胞可以正常出芽生殖;N-CDs可在植物叶片中通过叶脉和细胞间隙进行扩散成像;也可以正常进入线虫体内进行荧光染色,且不会影响线虫的生命特征。

生物质碳纳米材料制备及应用研究进展

生物质是一种低成本、易得、分布广泛、环保和可再生的碳源,实现生物质的合理处置具有重要意义。碳纳米材料(CNMs),特别是碳纳米管(CNTs)、碳纳米纤维(CNFs)和石墨烯,由于其突出的特性和广泛的应用而成为目前最受欢迎的碳材料。回顾了近几十年来生物质制备CNMs的技术进展,简要总结了生物质碳基材料作为催化剂和催化剂载体在各个领域的应用。

碳纳米材料的应用研究进展

近年来,碳纳米材料因优异的导电导热性能、稳定的化学性能、良好的光学性能,迅速成为广大科学研究者的研究热点,文章总结碳纳米材料,包括富勒烯、碳量子点、碳纳米管、石墨烯及其量子点,同时碳纳米材料在生物医学、电化学、有机防腐等领域的应用进行总结,并对其未来发展进行了展望。

三维多孔碳纳米材料用于烟用纸张中五氯苯酚的测定方法研究

目的 建立烟用纸张中五氯苯酚(PCP)的快速电化学测定方法。方法 基于沸石咪唑酯骨架(ZIF)的ZIF–8、ZIF–67具有相同的晶胞参数和同构性,以ZIF–8@ZIF–67为模板制备三维纳米多孔碳(NGPC)。利用NGPC的高比表面积以及优异的电子传递效率构建的传感器(记作NGPC/SPCE)对PCP具有很好的响应。结果 在0.86 V的检测电位下,NGPC/SPCE具有较高的灵敏度(2.452μA·cm^(-2)·L·mg^(-1))。传感器对PCP的检测具有良好的选择性。传感器对PCP检测具有较好的准确度和精密度。3个浓度梯度的回收率为95.7~98.6;6次测试结果的相对标准偏差为2.07%。传感器对PCP的检测具有较好的长期稳定性。同一传感器连续检测25 d后,仍保持原先88.1%的响应。结论 文中构建的传感器适用于对烟用纸张中PCP的检测,并能获得理想的检测结果。

碳纳米材料在PU纱线基柔性应变传感器中的应用

聚氨酯(PU)纱线基柔性应变传感器具有质轻柔软、透气性好、力学性能优异、传感性能良好、廉价易得等优点,但存在灵敏度与应变范围的非线性关系以及滞后性的问题。本文首先介绍了碳纳米材料/PU纱线基柔性应变传感器的构成,并分析了各构成部分对传感器性能的影响机理。在此基础上,根据PU传感纱线制备方式的不同,分别对均质PU纱类、涂层PU纱类和结构PU纱类三类传感器的研究进展进行了综述,指出选择合理的纺丝原料添加量、纺丝牵伸比、涂覆黏合剂、导电皮层与非导电芯层厚度比、导电皮层对非导电芯层有效包覆率、多维导电网络以及新颖的纱线结构、纱线成型新技术可提高PU导电纱线的传感性能。最后,分析了碳纳米材料/PU纱线基柔性应变传感器存在的问题,对高性能PU基础纱线、高品质碳纳米材料、新型加工及集成技术、研制和应用过程中应满足的基本条件等未来的重点发展方向进行了展望,以期为开发高性能纱线基柔性应变传感器提供参考。

口腔种植中的碳纳米材料

背景:随着口腔纳米材料不断的进步与发展,大量研究发现碳纳米材料在口腔种植领域有着广泛的应用。目的:文章就碳纳米材料主要分类、结构特征、成骨、抗菌、蛋白/药物载体作用以及在口腔种植方面的相关应用作一综述。方法:明确碳纳米材料的分类后,以“石墨烯/碳纳米管/碳纳米纤维/碳纳米材料,口腔种植/成骨AND口腔/抗菌AND口腔/载药AND口腔”为中文检索词检索,以“Graphene/carbon nanotubes/Carbon Nanofibers/carbon nanomaterials,dental implant/osteogenesis AND oral/antibacterial AND oral/drug loaded AND oral”为英文检索词检索,由第一作者通过计算机在中国知网、万方、维普及PubMed等数据库检索1998年1月至2021年8月已发表的相关文献,部分经典文献延长检索时间限制。最终选取符合纳入标准的英文文献64篇、中文文献9篇。结果与结论:①碳纳米材料主要分为3类,即零维、一维和二维碳纳米材料,因其具有独特的空间结构和良好的理化性质,在种植体表面涂层、支架材料改性、载药和制备屏障膜等方面具有较大应用潜力。②此外材料的成骨和抗菌作用还有利于形成稳定的骨整合和良好的软组织封闭作用,在种植体周围炎的预防与治疗中也有一定的研究意义。③碳纳米材料种类繁多,许多研究还将碳纳米材料与其他生物分子材料功能化组合成复合材料,从而可以获得某种特性。此外,碳纳米材料本身也具备抗菌作用,石墨烯也常与其他抗菌剂(如银纳米粒子)功能化来增强抗菌性能。④综合来看,碳纳米材料中石墨烯作为典型的二维碳纳米材料,一直是口腔种植及其他领域研究的热点,其中氧化石墨烯是应用较为广泛的一类石墨烯衍生物材料。有研究发现将其应用于种植体表面改性时,对种植体周围炎的治疗及预防方面具有一定的研究意义。⑤但关于碳纳米材料诱导干细胞分化/成骨相关信号通路以及免疫调节机制的研究还不太明确,材料的细胞毒性、降解和不良反应也仍需进一步研究。⑥目前也有待研究出一种具有成本效益、可扩展性和可重复制备碳纳米材料的工艺方法和材料生物相容性的评价指标,此外也需进一步深入研究当碳纳米材料应用于植体表面涂层时,对种植体周围炎的预防与治疗意义。

碳纳米材料在超级电容器中的应用

纳米技术在材料领域的应用给材料科学带来了飞速的发展,尤其是碳纳米材料,例如富勒烯、碳纳米管、石墨烯、碳纳米纤维及它们的复合材料。碳材料常用于能量转化与存储,与传统的能量材料相比,碳纳米材料在空间结构、电学及力学上的特殊性能使其被广泛地用于超级电容器用电极材料,并显示出优异的电化学性能,例如高的能量密度和功率密度、较低的阻抗及较好的循环稳定性。本文对近些年碳纳米材料在能量转换和存储中的应用所取得的成果进行汇总,并对其未来的发展和挑战进行讨论。

碳纳米材料促进气体水合物生成动力学研究进展

从碳纳米材料对气体水合物生成动力学影响方面进行详细综述,分别针对原始碳纳米材料、非共价修饰和共价修饰的碳纳米材料对水合物诱导时间、气体消耗量、生成速率和生长周期等参数影响展开介绍。重点分析了纳米材料添加浓度对水合物生产动力学及混合气中CO_(2)分离效果的影响。对非共价修饰纳米材料,分别从表面活性剂改性与聚合物改性两方面阐述了其对水合物生成动力学特性的影响。在共价修饰方面,对氧化还原修饰、纳米金属离子修饰后纳米材料的稳定性及水合物的生成特性进行了分析。提出现阶段碳纳米材料促进水合物生成的关键问题应从合成纳米材料的稳定分散性、合成材料的循环使用性能两方面进行突破的建议。

不同方式喷施碳纳米材料对盆栽月季生长发育的影响

以月季“樱桃白兰地”为试材,采用温室盆栽法,研究了8个处理(灌根清水(CK1)和稀释300倍(TN1)、600倍(TN2)、900倍(TN3)的碳纳米材料,叶面喷施清水(CK2)和稀释300倍(YN1)、600倍(YN2)、900倍(YN3)的碳纳米材料)对盆栽月季生长发育的影响和综合评价,以期为该材料在月季上的科学合理应用提供参考依据。结果表明:合理的施用方式和适宜浓度的碳纳米材料可以有效促进盆栽月季的生长和发育,不同处理下盆栽月季各生长发育指标存在一定差异,其中灌根处理下,TN3处理盆栽月季各生长发育指标均值均最大;叶面喷施处理下,YN2处理盆栽月季各生长发育指标均值均最大。利用隶属函数综合评价得出,TN3处理是该试验对盆栽月季最适宜的配方。