论文富勒烯的研究进展
富勒烯的研究进展
摘要：富勒烯发现至今只有短短 20 年时间,由于其独特的结构和物理、化学 性质,吸引了众多科学家的目光,因此在这 20 年中,使得 C60 化学得到了很大的 发展.文章综述了富勒烯的几种合成方法，并阐述了目前常用的应用现状，最后 对其未来的发展作了展望。 关键词： 无机富勒烯 碳纳米管 结构富勒烯 C90 生物富勒烯 硅富勒烯电弧法 芳烃分步 凝聚相 Abstract: the fullerenes found so far only a short span of 20 years, because of its unique structure and physical and chemical properties, attracted the attention of many scientists, so in these 20 years, makes the C60 chemical got great development. The article summarizes the several synthetic methods of fullerenes, and expounds the present situation of the application of commonly used at present, finally made a prospect for its future development. 引言：富勒烯的发现始于 1985 年 Kroto 等【1】在高真空环境下激光溅射石 墨的研究。利用这种方法只能产生数以千计的富勒烯分子,根本无法进行富勒烯 详细的性质表征研究, 当然更谈不上应用。 1990 年,Krastchmer 等【2】发明了低 压氦气环境下石墨电极电弧放电法合成富勒烯,能够得到克量级的 C60 产物。由 于富勒烯特殊的结构和性能,在材料、化学、超导与半导体物理、生物等学科和 激光防护、催化剂、燃料、润滑剂、合成、化妆品、量子计算机等工程领域具有 重要的研究价值和应用前景。1991 年富勒烯被美国《科学》杂志评为年度分子, 富勒烯被列为 21 世纪的新材料。此后,科学家经过不断的探索和研究,发明了更 多生产富勒烯的方法,例如连续石墨电极放电法、激光配合高温石墨棒蒸发法
【3】
、 引入铁磁性金属催化剂法【4、5】 、高温等离子体石墨蒸发法【6、7】,苯高温火
焰燃烧法【8-10】等。 而且富勒烯在日常生活中的应用越来越广泛, 因而富勒烯产品 在未来社会具有很好的发展前景。
1.富勒烯的结构
因为 C60 是富勒烯家庭
[11]
中相对最容易得到、最容易提纯和最廉价的各类，因此
C60 及其衍生物是被研究和应用最多的富勒烯。 通过质谱分析、X 射线分析后证明，C60 的分子结构为球形 32 面体[12]，它是 由 60 个碳原子通过 20 个六元环和 12 个五元环连接而成的具有 30 个碳碳双键的 足球状空心对称分子[13]，所以，富勒烯也被称为足球烯。C60 是高度的 Ih 对称， 高度的离域大π 共轭，但不是超芳香体系，它的核磁共振碳谱只有一条谱线，但 是它的双键是有两种，它有 30 个六元环与六元环交界的键，叫[6,6]键，60 个
五元环与六元环交界的键，叫[5,6]键。[6,6]键相对[5,6]键较短，C60 的 X 射线 单晶衍射数据表明， [6,6]键长是 135.5 皮米， [5,6]长键是 146.7 皮米， 因此[6,6] 有更多双键的性质，也更容易被加成，加成产物也更稳定，而且六元环经常被看 作是苯环，五元环被看作是环戊二烯或五元轴烯[14-17]。C60 有 1812 种个异构体。 C60 及其相关 C70 两者都满足这种所谓的孤立五角规则（IPR）。而 C84 的异构 体中有 24 个满足孤立五角规则的，而其他的 51568 个异构体则不满足孤立五角 规则，这 51568 为非五角孤立异构体，而不满足孤立五角规则的富勒烯迄今为 止只有几种富勒烯被分离得到， 比如分子中两个五边形融合在顶尖的一个蛋形笼 状内嵌金属富勒烯 Tb3NaC84。 或具有球外化学修饰而稳定的富勒烯如 C50Cl10，以及 C60H8。理论计算表明 C60 的最低未占据轨道（LUMO）轨道是一个三重简并轨道， 因此它可以得到至少六个电子， 常规的循环伏安和差示脉冲伏安法检测只能得到 4 个还原电势，而在真空条件下使用乙腈和甲苯的 1:5 的混合溶剂可以得到六个 还原电势的谱图。
2.富勒烯的分类 （1）无机富勒烯[18]
R.Tenne 在高温还原性气氛(95%NH2)中将 WO3 与 H2S 反应，制备了类似于 C60 和碳纳米管结构的 WS2 纳米粒子和纳米管，宣告了无机富勒烯 (1norganic{uller-ene，IF)纳米材料的发现。它们在结构上与 C60、碳纳米管类 似，是同心(轴)圆(管)构成的层状结构。 由于无机富勒烯纳米材料的奇特结构、 优异性质和许多潜在应用， 一经发现， 就引起了全世界科学家的广泛关注和研究兴趣。目前，各种层状无机化合物 BN、 WS2、MoSe2、WSe2、A12O3、CDCl2、TiO2、Nb S2、ReS2、TiS2、K4NbO17 的纳米粒子 和纳米管已经被发现。IF-WS2 纳米粒子具有准球形结构，没有悬空键，具有低的 表面能、高的化学稳定性，使得它的摩擦性能远优于传统的层状 2H-WS2。最近又 有报道证明 WS2 纳米管可作为锂离子电池的电极材料、原油氢化脱硫的催化剂、 储氢材料、扫描隧道显微镜(STM)针尖[19-21]。研究 IF-WS2 纳米粒子和纳米管的各 种物理性能和潜在应用，寻求更加经济、有效地制备合成这种材料的方法，仍然 是科学家面临的具有重要意义的问题。 IF-WS2 纳米粒子和纳米管的发现，为钨新材料的开发和应用开辟新的领域， 尤其是其独特的微观结构， 决定其具有许多新奇的性能，从而产生了许多不易预 料的应用。IF-WS2 纳米粒子和纳米管的研究在国内外已经有近 20 年的时间，国 外的制备技术已经比较成熟，现在主要研究它们的机械、光学、摩擦和其他的物 理性质以及在各个领域的应用， 特别是以色列的 R.Tenne 领导的研究小组已经实 现了连续制备 1F-WS2 纳米粒子和纳米管，每个月可以制备几千克的产物，在美
国已建立了自己的销售中心。中国的研究相对滞后，目前主要集中于制备阶段， 没有一个专门致力于这类材料的研究小组，与国外有很大的差距。中国是钨材料 矿产资源丰富的国家， 积极开发这类纳米材料，对于在未来市场竞争中立于不败 之地具有深远的战略意义。
（2）碳纳米管结构富勒烯 C90[22]
近日， 浙江大学和美国加利福尼亚大学科研人员成功合成出世界上最小碳纳 米管结构的富勒烯 C90，成果发表在 2010 年 49 卷第 1 期的德国《应用化学》上， 被评为该期刊的“热点”论文，引起了国际科学界的广泛关注。 富勒烯和碳纳米管由于其独特的结构和性质在可再生资源--太阳能的利用 以及新一代纳米电子计算机等领域有着极为重要的应用价值， 引起了世界范围科 学家的研究兴趣和各国政府的广泛重视。合成的 C90 富勒烯具有纳米管结构，直 径为 0.7 纳米，长度为 1.1 纳米，呈 D5h 高度对称性，被誉为世界上首个能在空 气中稳定存在，直径最细，长度最短、结构完美的封闭形状的最小碳纳米管。它 是连接富勒烯和碳纳米的桥梁，本身兼有富勒烯和单壁碳纳米管的某些双重性 质，作为新材料，其用途将非常广阔。 据悉， 富勒烯衍生物是有机太阳能电池中优先使用的材料[23]，如果使用新发 现的纳米管状的 C90，可望有更高的太阳能利用率。有机太阳能电池装置与传统 的化合物半导体电池。普通硅太阳能电池相比，其优势在于更轻薄灵活、成本低 廉、可大面积推广。另一方面，传统的硅基材料晶体管微电子元件的尺寸随着制 造工艺的日益精良而越来越小， 不久将达到物理极限。碳纳米管凭借其独特的结 构和优异的电学性能， 成为最有希望的纳米电子器件材料之一。制备出长短和粗 细均一可控， 且无缺陷的单壁碳纳米管是一个极富挑战性的研究课题，这里报道 的纳米管状 C90 富勒烯的合成为上述单臂碳纳米管的合成提供了一个导向性的思 路。
（3）生物富勒烯[24-30]
富勒烯等碳纳米粒子正朝着更强大、更轻盈的结构发展，其可扮演传送装置 的角色， 以传递特定的药物或抗体。研究人员将培养的人体皮肤细胞与多种不同 类型的富勒烯相接触，发现细胞在与三环结构的富勒烯相遇时会呈现出生命暂 停， 即细胞不会像往常一样衰老死亡或者分裂生长。这意味着富勒烯将影响到细 胞的正常生命周期，导致皮肤细胞的非正常死亡。但从另一角度看来，其也能中 止帕金森氏症和阿尔茨海默氏症等病涉及的神经细胞死亡和退化， 从而达到治疗 的效果。 同样， 涉及癌细胞不规则复制的癌症也有望通过暂停癌细胞的分裂和生 长，为医生提供更充足的治疗时间，以杀死癌变的细胞。 研究主导人员，毒理学家拉-艾耶尔表示：“纳米材料是 21 实世纪的革命，
我们将与其共存于世。 如何最大限度利用这些材料，并将其对我们以及环境的不 良影响降至最低便成了现今主要的问题。 三环和六环结构的富勒烯分子都可为癌 症等疾病的治疗提供可能，这也将为新型纳米材料的设计和发展指引方向。”
（4）硅富勒烯[31-33]
运用计算机模拟分析发现了由硅原子构成的新的纳米构造，它被称为“硅富 勒烯”，是由数十个原子构成、内包一个原子、具有完美的对称性的原子团。今 后，在纳米元件以及医疗等方面都将被广泛应用。
3.富勒烯的制备 （1）煤制富勒烯
煤制富勒烯，充分发挥了企业、科研院所各自的优势，是产、学、研相结合 的产物，具有完全自主创新的特点，它既填补了我国煤燃烧生产富勒烯的空白， 又促进了煤炭资源清洁化、 高值转化。富勒烯碳灰经提纯设备提纯后即为最终的 富勒烯产品，吨煤生产 1.7 公斤富勒烯。 2008 年 8 月 28 日内蒙古京蒙碳纳米材料高科技有限责任公司正式与中科院 化学研究所签署了关于合作进行“以煤炭为原料制备富勒烯”[34]项目研究协议。 项目建成投产后年生产富勒烯 4.8 吨， 每年可实现产值 2.7 亿元， 利润 1.8 亿元， 财务内部收益率为 143%， 投资利润率为 219%。 达产后占全国富勒烯总产量的 99％ 以上，将满足各科研院所和工业生产的需要。内蒙古具有丰富的煤炭资源，煤炭 储藏量全国第一。 利用煤生产富勒烯属于煤炭资源的深加工产品， 实现以富勒烯为主的碳纳米 材料产业化， 自治区政府力争把呼和浩特建设成为我国富勒烯碳纳米材料的生产 基地。 我国作为世界上重要的产业大国，在未来的现代化发展中，必将对富勒烯这 种基础核心材料有极大的需求。 如果不改变我国在富勒烯工业化生产方面的落后 现状，将阻碍我国富勒烯应用领域的研究利用。因此，发展具有自主知识产权的 富勒烯生产产业将具有特殊的战略性意义。
（2）电弧法合成富勒烯
科学家经过不断的探索和研究,发明了许多生产富勒烯的方法,例如改进的 石墨电极放电法、激光配合高温石墨棒蒸发法、引入铁磁性金属催化剂法, 、高 温等离子体石墨蒸发法、 苯高温火焰燃烧法等等。其中以石墨电极放电法应用最 多。 电弧法制备富勒烯时， 以光谱级石墨电极材料做阳极， 以石墨块电极做阴极， 在强电流作用下形成电弧， 电弧放电使碳棒气化成等离子体，在氦气惰性气氛下 制备。 将石墨块电极和光谱级石墨棒电极装在可水平移动的电极轴套上，将系统
预抽至 10-6Torr 然后充入 0.03-0.09MPa 氦气，打开冷却水，接通电源，调节直 流电流的大小 100-250A，慢慢减少棒间距离直至弧点着，让两个电极预热 1 分 钟，在维持弧花明亮、稳定的条件下以约 4 rad/min 的速度向前推进电极，此时 火焰呈蓝红色，小碳分子经多次碰撞、合并、闭合形成稳定的 C60、C70 及高碳富 勒烯分子。影响富勒烯产率的主要因素有惰性气体的压力及电流大小等。
（3）燃烧法制备富勒烯
苯燃烧法是 1991 美国麻省理工学院 Howard 等人发明的,该法是将苯蒸气和 氧气混合后在燃烧室低压环境(约 5·32kPa)下不完全燃烧,所得的炭灰中含有较 高比例的富勒烯,经分离精制后可以得到纯富勒烯产物。因为无需消耗电力且连 续进料容易等优点,苯燃烧法的工业化生产具有较明显的成本优势,已成为国际 上工业化生产富勒烯的主流方法。 燃烧法形成富勒烯一个很重要的过程是在高温下有五元环和六元环结构的 存在,当五元环和六元结合时就会发生卷曲,从而形成笼状结构。 主要有以下三种 机理。
（1）芳烃分步反应机理
美国麻省理工学院的 Pope 等[35]认为燃烧法形成富勒烯机理是乙炔加到 单个多聚芳烃分子的多步反应机理,其中包括两个多聚芳烃分子的反应或者脱氢 再关环,Pope 指出分子内的重排在富勒烯形成过程中起着很重要作用。
（2）“拉链”机理
德国达姆施塔特工业大学的 Baum 等[36]认为两个近平面排列的多聚芳烃 脱氢连接,包括多聚芳烃分子的重排形成五元环;或者若存在五元环,两个碗形多 聚芳烃分子直接进行拉链成笼。 德国达姆施塔特工业大学的 Ahrens, J 等[37]认为, 两个近平面排列的多聚芳烃,包括多聚芳烃分子的重排形成五元环,拉链容易形 成富勒烯异构体的稳定结构。
（3）凝聚相机理
德国达姆施塔特工业大学的 Baum 等[38]认为烟灰微粒作为富勒烯形成的反应 载体,一些粒子发分子内重排、弯曲、生长,最后闭壳并从微粒上蒸发来。爱尔兰 都柏林圣三学院 Richter,H 等
[39]
认为括两个多聚芳烃结合在一起脱氢连接,直接
形成富烯,其中包括存在的五元环的弯曲等,并认为此法在烧法制备富勒烯机理 中占主导地位。因为无需消耗电力且连续进料容易等优点,燃烧法的工业化生产 具有较明显的成本优势,已成为国际上工业化生产富勒烯的主流方法。
4.展望
C60的结构特点决定着它具有特殊的物理化学性能【40】,它可以在众多学科当 中都具有广泛的用途。 如碱金属原子可以与C60键合成“离子型”化合物而表现
出十分良好的超导性能,过渡金属富勒烯C60化合物表现出较好氧化还原性能。 在 高压下C60可转变为金刚石,开辟了金刚石的新来源。C60与环糊精、环芳烃形成 的水溶性主客体复合物将在超分子化学、仿生化学领域发挥重要作用。以富勒烯 C60为基础的催化剂,可用于以前无法合成的材料或更有效地合成现有的材料。 碳 容易被加工成细纤维的特性很可能研制出一种比现有陶瓷类超导体更优的高温 超导材料。管状富勒烯的发现与研究,很可能使这种超强度低密度的材料用于新 型飞机的机身。C60有区分地吸收气体的性质可能被应用于除去天然气中的杂质 气体。C60离子束轰击重氢靶预计运用于分子束诱发核聚变技术。C60和C70溶液 具有光限幅性,可作为数字处理器中的光阈值器件和强光保护器,用C60和C70的 混合物掺杂PVK呈现非常好的光电导性能及其用于静电印刷的潜在可能性。 Si 也被发现可能形成类似富勒烯结构,有望成为新的半导体元件材料。迄今为 止,C60原子团簇及其衍生物已涉及到生命化学、 有机化学、 材料化学、 无机化学、 高分子科学、催化化学等众多领域,可用于复合材料、建筑材料、表面涂料、火 箭材料,等等。 虽然其广泛应用还不是一个短时间的过程,但随着人们对其不断 认识,相信基于C60的各种应用将具有更为广泛的应用。
参考文献
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神奇的石墨烯——石墨烯研究进展
神奇的石墨烯 ——石墨烯的研究进展 石墨烯简介 石墨烯（Graphene），又称单层石墨，是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一个碳原子厚度的二维材料。 石墨烯一直被认为是假设性的结构，无法单独稳定存在[1]，直至2004年，英国曼彻斯特大学物理学家安德烈?海姆和康斯坦丁?诺沃肖洛夫，成功地在实验中从石墨中分离出石墨烯，而证实它可以单独存在，两人也因“在二维石墨烯材料的开创性实验”为由，共同获得2010年诺贝尔物理学奖。 石墨烯目前是世上最薄却也是最坚硬的纳米材料，它几乎是完全透明的，只吸收2.3%的光"；导热系数高达5300 W/m?K，高于碳纳米管和金刚石，常温下其电子迁移率*超过15000 cm2/V?s，又比纳米碳管或硅晶体*高，而电阻率只约10-6 Ω?cm，比铜或银更低，为目前世上电阻率最小的材料。因为它的电阻率极低，电子跑的速度极快，因此被期待可用来发展出更薄、导电速度更快的新一代电子元件或晶体管。由于石墨烯实质上是一种透明、良好的导体，也适合用来制造透明触控屏幕、光板、甚至是太阳能电池。 石墨烯另一个特性，是能够在常温下观察到量子霍尔效应。 石墨烯的碳原子排列与石墨的单原子层雷同，是碳原子以sp2混成轨域呈蜂巢晶格(honeycomb crystal lattice)排列构成的单层二维晶体。石墨烯可想像为由碳原子和其共价键所形成的原子尺寸网。石墨烯的命名来自英文的graphite(石墨) + -ene(烯类结尾)，也可称为“单层石墨”。石墨烯被认为是平面多环芳香烃原子晶体。 石墨烯的结构非常稳定，碳碳键（carbon-carbon bond）仅为1.42?。石墨烯内部的碳原子之间的连接很柔韧，当施加外力于石墨烯时，碳原子面会弯曲变形，使得碳原子不必重新排列来适应外力，从而保持结构稳定。这种稳定的晶格结构使石墨烯具有优秀的导热性。另外，石墨烯中的电子在轨道中移动时，不会因晶格缺陷或引入外来原子而发生散射。由于原子间作用力十分强，在常温下，即使周围碳原子发生挤撞，石墨烯内部电子受到的干扰也非常小。石墨烯是构成下列碳同素异形体的基本单元：石墨，木炭，碳纳米管和富勒烯。完美的石墨烯是二维的，它只包括六边形(等角六边形); 如果有五边形和七边形存在，则会构成石墨烯的缺陷。12个五角形石墨烯会共同形成富勒烯。 石墨烯卷成圆桶形可以用为碳纳米管；另外石墨烯还被做成弹道晶体管（ballistic transistor）并且吸引了大批科学家的兴趣。在2006年3月，佐治亚理工学院研究员宣布, 他们成功地制造了石墨烯平面场效应晶体管，并观测到了量子干涉效应，并基于此结果，研究出以石墨烯为基材的电路. 石墨烯的问世引起了全世界的研究热潮。它是已知材料中最薄的一种，质料非常牢固坚硬，在室温状况，传递电子的速度比已知导体都快。石墨烯的原子尺寸结构非常特殊，必须用量子场论才能描绘。 既然石墨烯这么的神奇，有这么多的特性，那它的制备会不会特别难呢？ 事实表明现在大规模的制造石墨烯还比较困难，但小规模的制造用于科研还是比较容易
富勒烯相关知识
富勒烯 制备 目前较为成熟的富勒烯的制备方法主要有电弧法、热蒸发法、燃烧法和化学气相沉积法等。 电弧法 一般将电弧室抽成高真空, 然后通入惰性气体如氦气。电弧室中安置有制备富勒烯的阴极和阳极, 电极阴极材料通常为光谱级石墨棒，阳极材料一般为石墨棒, 通常在阳极电极中添加铁，镍，铜或碳化钨等作为催化剂。当两根高纯石墨电极靠近进行电弧放电时, 炭棒气化形成等离子体,在惰性气氛下碳分子经多次碰撞、合并、闭合而形成稳定的C60及高碳富勒烯分子, 它们存在于大量颗粒状烟灰中, 沉积在反应器内壁上, 收集烟灰提取。电弧法非常耗电，成本高，是实验室中制备空心富勒烯和金属富勒烯常用的方法。 燃烧法 将苯、甲苯在氧气作用下不完全燃烧的碳黑中有C60或C70，通过调整压强、气体比例等可以控制C60与C70的比例，该法设备要求低，产率可达到%-9%，是工业中生产富勒烯的主要方法。 化学气相沉积（CVD） 主要用于制备碳纳米管，合适实验条件可制备出富勒烯。反应过程：有机气体和N2压入石英管，用激光、电阻炉或等离子体加热，气体分子裂解后在催化剂表面生长成富勒烯或碳纳米管。催化剂一般为Fe、Co、Ni、Cu颗粒。CVD设备简单，原料成本低，产率高；并且反应过程易于控制，可大规模生产。 提纯
通常是以C60为主，C70为辅的混合物，还有碳纳米管、无定形碳和碳纳米颗粒。决定富勒烯的价格和其实际应用的关键就是富勒烯的纯化。实验室常用的富勒烯提纯步骤是：从富含C60和C70的烟尘中先用甲苯索氏提取,然后纸漏斗过滤。蒸发溶剂后,剩下的部分(溶于甲苯的物质)用甲苯再溶解，再用氧化铝和活性碳混合的柱色谱粗提纯，第一个流出组分是紫色的C60溶液，第二个是红褐色的C70，此时粗分得到的C60或C70纯度不高，还需要用高效液相色谱（纯度高，设备昂贵，分离量小）来精分。Nagata发明了一项富勒烯的公斤级纯化技术。该方法通过添加二氮杂二环到C60, C70等同系物的1、2、3-三甲基苯溶液中。DBU只会和C70以及更高级的同系物反应，并通过过滤分离反应产物，而富勒烯C60与DBU不反应，因此最后得到C60的纯净物；其它的胺化合物，如DABCO，不具备这种选择性。 C60可以与环糊精以 1:2的比例形成配合物，而C70则不行，一种分离富勒烯的方法就是基于这个原理，通过S-S桥固定环糊精到金颗粒胶体，这种水溶性的金/环糊精的复合物[Au/CD]很稳定,与不水溶的烟灰在水中回流几天可以选择性地提取C60，而C70组分可以通过简单的过滤得到。将C60从[Au/CD] 复合物中分离是通过向环糊精水溶液加入对环糊精内腔具有高亲和力的金刚烷醇使得C60与[Au/CD] 复合物分离而实现C60的提纯，分离后通过向[Au/CD/ADA]的复合物中添加乙醇，再蒸馏，实现试剂的循环利用。50毫克[Au/CD]可以提取5毫克富勒烯C60。后两种方法都只停留在实验室阶段，并不常用。 Coustel重结晶法 Coustel等利用C60和C70在甲苯溶液中溶解度的不同，通过简单的重结晶法得到纯度为95-99％的C60 。本方法第一次重结晶得到C60的纯度约为95％，通过二次重结晶得到的C60 ，纯度达到98％-99％。 Prakash法由于C70等高富勒烯对AlCl3的亲和力大于C60 ，据此，Prakash将C60与C70的混合物溶入CS2中，加入适量AlCl3 ，由于C70等高富勒烯与AlCl3形成络合物，因而从溶液中析出， C60仍留在溶液
富勒烯的应用现状
富勒烯（C60）研究与应用现状
富勒烯（C60）研究与应用现状 大连工业大学 摘要：富勒烯发现至今只有短短20年时间,由于其独特的结构和物理、化学性质,吸引了众多科学家的目光,因此在这20 年中,使得C60化学得到了很大的发展.文章综述了富勒烯的几种合成方法，并阐述了目前常用的应用现状，最后对其未来的发展作了展望。 关键词富勒烯；合成方法；应用 引言 富勒烯的发现始于1985 年Kroto 等【1】在高真空环境下激光溅射石墨的研究。利用这种方法只能产生数以千计的富勒烯分子,根本无法进行富勒烯详细的性质表征研究, 当然更谈不上应用。1990 年,Krastchmer 等【2】发明了低压氦气环境下石墨电极电弧放电法合成富勒烯,能够得到克量级的C60 产物。由于富勒烯特殊的结构和性能,在材料、化学、超导与半导体物理、生物等学科和激光防护、催化剂、燃料、润滑剂、合成、化妆品、量子计算机等工程领域具有重要的研究价值和应用前景。1991 年富勒烯被美国《科学》杂志评为年度分子,富勒烯被列为21 世纪的新材料。此后,科学家经过不断的探索和研究,发明了更多生产富勒烯的方法,例如连续石墨电极放电法、激光配合高温石墨棒蒸发法【3】、引入铁磁性金属催化剂法【4、5】、高温等离子体石墨蒸发法【6、7】,苯高温火焰燃烧法【8-10】等。而且富勒烯在日常生活中的应用越来越广泛, 因而富勒烯产品在未来社会具有很好的发展前景。 2.富勒烯的合成方法 2.1水下放电法 水下放电法【11】将电弧室中的介质由惰性气体换为去离子水, 采用直流电弧放电, 以碳纯度为99%、直径6mm的碳棒做阳极, 直径为12mm的碳棒做阴极, 放入2. 5L 的去离子水中至其底部3mm的位置, 在电压为16 ～17V、电流为30A的条件下拉直流电弧, 产物可在水表面收集。 水下放电法不需要传统电弧法的抽气泵和高度密封的水冷真空室等系统, 免除了复杂昂贵的费用, 可进一步降低反应温度, 能耗更小, 并且产物在水表面收集而不是在整个有较多粉尘的反应室。与传统电弧法相比, 此法产率及质量均较高。此法可制备出球形洋葱富勒烯、像富勒烯似的碳纳米粒子、类似碳纳米管和富勒烯粉末。 总之, 电弧法是目前应用最广泛、有可能进一步扩大生产规模的制备方法, 其C60产率可达10% ～13% , 为其物理、化学的研究奠定了基础。电弧法制备碳纳米管产率约为30% ～70% , 在电弧放电的过程中能达到4 000K的高温, 这样的温度下碳纳米管最大程度地石墨化, 所以制备的管缺陷少, 比较能反映碳纳米管的真正性能。但由于电弧放电通常十分剧烈, 难以控制进程和产物, 合成的沉积物中存在有碳纳米颗粒、无定形炭或石墨碎片等杂质, 而且碳管和杂质融合在一起, 很难分离。 2.2CVD法 CVD是制备富勒烯的另一种典型方法。催化热分解反应过程一般是将有机气体(通常为C2 H2 )混以一定比例的氮气作为压制气体, 通入事先除去氧的石英管中, 在一定的温度下, 在催化剂表面裂解形成碳源, 碳源通过催化剂扩散,在催化剂后表面长出碳纳米管, 同时推着小的催化剂颗粒前移。直到催化剂颗粒全部
富勒烯及其衍生物的制备和生物医学效应
专业课程实践论文题目：富勒烯及其衍生物的制 备和生物医学效应任课教师：罗志勇 姓名：刘远见 学号：20096918 学院：化学化工学院 专业班级：2009级材料化学1班
富勒烯及其衍生物的制备和生物医学效 应 刘远见liuyuanjian [重庆大学化工学院2009级材料化学1班重庆中国 400044] [摘要]：富勒烯和其衍生物作为一种新型含碳纳米材料，由于其独特的结构和物理化学性质，在生物、医学、超导、光学及催化等多领域有着极为广阔的应用前景。在生物和医学领域，富勒烯及其衍生物具有抗氧化活性和细胞保护作用、抗菌活性、抗病毒作用、载带药物和肿瘤治疗等活性。在总结国内外相关研究基础上，论文重点综述了几种典型富勒烯及衍生物的制备和生物效应。 [关键字]：富勒烯；纳米材料；生物效应；细胞保护； [Abstract]:Due to their unique structure and physical and chemical properties，fullerene and its denvatives have a widerange of potential appacations in biomedical field．They have many advantages in cell protection and antioxidant properties，antibacterial activity，antiviral activity，drug delivery and anti-tumor activities．In this paper，biomedical effects of fullerenes have been highlighted，and the synthesis of fullerene its derivative have been reviewed as well． [Key words]:fullerene;Nano-materials;Biological effects;Cytoprotective 纳米科学、信息科学和生命科学并列成为2l世纪的三大支柱科学领域。纳米颗粒(nanoparticles，Nas)和超细颗粒物(ultrafine particles，UFPs)，一般是指尺寸至少有一维在l～100 nm间的粒子。纳米尺度是处在原子簇和宏观物体交界的过渡区域，处于这个区域的材料具有一些独特性质，如小尺寸效应、表面、界面效应和量子尺寸效应等。空气中纳米颗粒虽然浓度很低，但具有很高的颗粒物数目。将宏观物体细分成纳米颗粒后，它的光学、热学、电学、磁学、力学以及化学性质和大体积固体相比将会显著不同。纳米材料的小尺寸、化学成分、表面结构、溶解性、外形和聚集情况决定着它们特殊的物理化学性质，这些性质使得纳米材料在将来有着广泛的用途。（1） Kroto等(1985)于1985年发现了巴基球，并提出了球型中空分子的模型，将之命名为富勒烯(C60)。Kratschrner等(1990)首先用石墨电弧放电法实现了富勒烯的宏量制备，此后在世界范围内掀起了研究富勒烯的热潮。涉及的学科包括物理、化学、生物、天文和材料科学等。一个分子能如此迅速地打开通向科学新领域的大门，这是非常罕见的。由于富勒烯分子的巨大科学意义，被美国‘科学’杂志评为1991年的“明星分子”。
富勒烯哪个厂家好 哪个富勒烯厂家好
富勒烯哪个厂家好 富勒烯哪个厂家好？富勒烯是一类由12个五元环和若干个六元环组成的中空笼状全碳分子，这种结构类似于日常生活中所见到的足球，因此也被称作“足球烯”。具有特殊的超导、强磁性、耐高压、抗化学腐蚀等优异的性质，在超导材料、光电导材料、化妆品、纳米粒子材料等领域应用前景广阔。那么富勒烯哪个厂家好？南京先丰纳米就是不错的选择。下面就简单的介绍富勒烯的一些合成方法。 1、石墨电阻加热法 电阻加热蒸发石墨的方法虽然首次得到了宏观量的富勒烯C60，但是在富勒烯的合成过程中，随着石墨阳极的消耗，两根石墨棒间的接触将逐渐消失，导致石墨棒间不稳定电弧的产生，最终影响了富勒烯的生成。 2、电弧放电法 在充满惰性气体的电弧反应腔体中，两石墨电极间无需保持真正的接触(存在一狭缝)，通过调节弹簧使两电极间产生稳定的电弧，由此产生电弧等离子体。由于两电极靠的如此之近，以至分散在等离子区中的能量并不损失，而是被电极所吸收最终导致石墨电极的蒸发，产生的高温等离子体在氦气氛中碰撞冷却，得到高产率的C60和C70。 目前，电弧放电法己成为富勒烯合成的常用方法之一，特别是对于各种富勒烯新结构的合成，绝大多数是采用该方法实现的。 3、多环芳烃热解法
长时间以来，多环芳烃都被认为是富勒烯形成过程中的中间体，理论和实验都表明了由芳烃组分直接构造C60或C70的可能性。1993年，Taylor等通过萘在1000℃、氢气气氛中的热解反应，在产物中检测到富勒烯C60和C70的存在。尽管这一过程富勒烯的产率很低(<0.5%)，但却从实验上证明含10个骨架碳的萘是可以缀合在一起形成C60和C70的。 4、等离子体法 以氯仿为起始反应物，在辉光等离子体反应中合成得到C60和C70。体系的真空度、微波能量、氯仿的进样量以及稀释气体(氢气)的流速直接影响到富勒烯的生成，同时在反应体系的不同温区，C60、C70的产率以及C60/C70的比例也不尽相同。 如果想要了解更多关于富勒烯的内容，欢迎立即咨询先丰纳米。 先丰纳米是江苏先进纳米材料制造商和技术服务商，专注于石墨烯、类石墨烯、碳纳米管、分子筛、黑磷、银纳米线等发展方向，现拥有石墨烯粉体、石墨烯浆料和石墨烯膜完整生产线。 自2009年成立以来一直在科研和工业两个方面为客户提供完善服务。科研客户超过一万家，工业客户超过两百家。 南京先丰纳米材料科技有限公司2009年9月注册于南京大学国家大学科技园内，现专注于石墨烯、类石墨烯、碳纳米管、分子筛、银纳米线等发展方向，立志做先进材料及技术提供商。 2016年公司一期投资5000万在南京江北新区浦口开发区成立“江苏先丰纳米材料科技有限公司”，建筑面积近4000平方，形成了运营、研发、中试、生产全流程先进纳米
富勒烯的性质。性能以及研究现状
富勒烯的性质，性能以及研究现状 2009210309 化院0906 陈青英 摘要：本文总结了近十几年的文献资料, 对[C60 ]富勒烯的化学修饰及其功能材料性能研究进行综述. 关键词：富勒烯, 化学修饰, 功能材料, 性能 Abstract:Three kinds of ［60 ］fullerene-coumarin compounds were synthesized by esterification with the coumarin derivatives and characterized by 1H NMR， 13 C NMR， FT-IR and MS. Their fluorescence intensity drastically reduced owing to the competition of excitation light and the fluorescence re-absorption of the coumarin to fullereneRetro-cycloaddition reaction is one of the most important reactions of fullerene derivatives.Many kinds of organofullerenes are not stable under reductive,oxidative or thermal conditions,where the functional addends are removed from the fullerene sphere and lead to the formation of pristine fullerenes.Such addition-retro-addition reaction has shown promising application in the protection/deprotection strategy for the purification and functionalization of fullerenes.. Keywords:Fullerene，Coumarin，Fluorescence，fullerene derivatives; retro-cycloaddition reactions; C-H-X hydrogen bonding 石墨和金刚石是大家所熟悉的.碳元素的两种同素异形体。二十世纪八十年代中期，科学家又发现了碳的第三种同素异形体C60富勒烯。这是二十世纪九十年代，物理学和化学学科领域中最重要的发现之一，C60化学是目前有机化学领域的前沿，它是是Kro to 等在1985 年发现的碳的第3 种同素异形体, 当时采用激光蒸发石墨法制备, 只能得到微克量级,直到1990 年Krabt schmer2Hu t tman 等采用石墨棒电孤蒸发法获得克量级的C60产品, 从而有力地促进了全碳分子的研究. C60分子是由12 个五边形环与20 个六边形环稠合所构成的笼状32 面体, 其形状很象一个足球, 五边形环为单键(键长约01145 nm ) , 2 个六边形环的公共棱边则为双键(键长约01138 nm ) , 共有12 根双键, 因而C60分子具有缺电子芳香烃的一些性质. 它能发生环加成反应, 亲核、亲电加成, 自由基加成, 包合反应, 聚合反应, 光化学反应, 氧化还原反应等. 迄今对它的研究已涉及无机化学、有机化学、物理化学、分析化学、材料科学、高分子科学、生命科学等众多学科及应用领域. 1富勒烯的化学修饰 C60的化学修饰主要集中在它的化学活性、反应和机理研究以及设计、合成功能性化物, 包括C60的二次衍生物上. 根据修饰方法不同, 可分为: 经典有机化学反应, 金属有机化学反应和电化学合成. 1.1富勒烯的有机化学反应 C60具有典型的缺电子芳香烃的性质, 容易与供电子的亲核基团反应. 多数情况下, 亲核试剂是进攻C60分子的6, 6 环共用边双键, 有时也会发生重排而得到插入5, 6 环共用边键的衍生物
富勒烯及其衍生物的发展及研究
富勒烯及其衍生物的发展及研究 ——文献综述 摘要：富勒烯是无机化学研究中十分重要的一个领域。近年来，对富勒烯的结构、衍生物、在各方面的应用等都有了新的突破，而本文则是以文献综述的形式，通过阅读文献对近五年来有关富勒烯及其衍生物的发展及研究进行总结描述。 关键词：富勒烯物理性质化学性质应用 前言：1985年，人类在相继发现了石墨、金刚石之后，Kroto等发现了富勒烯，即C60，更以其独特的物理、化学性质引起了科学界普遍的关注。Ｃ60是含有众多双键具有独特笼型结构的三维芳香化合物．它的６０个位于顶点上的碳原子组成了球形３２面体，其中有１２个面是五边形，２０个面是六边形［１］．这种结构类似于日常生活中所见到的足球，因此也被称作“足球烯”。这种特殊的结构使它具有特殊的超导、强磁性、耐高压、抗化学腐蚀等优异的性质．在超导材料、光电导材料、化妆品、纳米粒子材料、生物医学等领域应用前景广阔。内嵌式富勒烯的研究更是近来有关富勒烯研究的热门课题。 1.富勒烯的性质 1.1物理性质 Ｃ60是非极性分子，外观呈深黄固体，随厚度不同颜色可呈棕色到黑色．密度为1.678ｇ／ｃｍ，不导电，但具有良好的非线性光学性质、光电导性，是很好的光电导材料，熔点＞553Ｋ，易升华，易溶于含有大∏键的芳香性溶剂中，磁流中性，但是其五元环有很强的顺磁性，而六元环具有较为缓和的介磁性；分子中的60个碳原子是完全等价的．由于球面的弯曲效应、五元环的存在，使得碳原子的杂化方式介于sp2和sp3杂化之间，从立体构型来看，Ｃ60具有点群对称性，分子价电子数高达240个。[2] 1.2化学性质 1.2.1亲核反应—与金属的反应 C60与金属的反应主要分为两类一种是金属被置于C60碳笼的内部; 另一种是金属位于C60碳笼的外部。 （1）C 60碳笼内配合物生成反应: C60碳笼为封 闭的中空的多面体结构, 其内腔直径为7. 1 A,内部可嵌入原子、离子 或小分子形成新的团簇分子 , C 60+ A C60 ( A)。其主要包含物种 类为金属、惰性气体及部分极性分子（如LiF），其中金属包含物研究 最为广泛。Sm alley等人现已发现如 K、Na、Ba、Sr、Ho、Th等碱金 属、碱土金属、绝大多数稀有金属均可与C60形成C60(A)。 （2）C60碳笼外键合反应: 能与 C60键合的金属有: V、Fe、Co、Ni、Rh、Cu、La、Yb、Ag 等[3]。 1.2.2加成反应 由于Ｃ60的不饱和性，C60可以与胺类、磷化物等发生加成反应，在格氏试剂作用下还可以与CH3I反应，生成烷基化物。
石墨烯材料的研究进展论文
石墨烯材料的研究进展 摘要：石墨烯是近年被发现和合成的一种新型二维碳质纳米材料。由于其独特的结构 和新奇的物化性能，在改善复合材料的热性能、力学性能和电性能等方面具有很大的潜力，已成为纳米复合材料研究的热点。综述了石墨烯纳米复合材料的制备与应用研究进展，并对石墨烯纳米复合材料的发展前景进行了展望。 关键词：石墨烯；纳米复合材料；制备；应用 1，材料的基本情况 石墨烯是碳原子紧密堆积成单层二维蜂窝状晶格结构的碳质材料，是构成其它碳同素异形体的基本单元。石墨烯的理论研究已有６０多年的历史，一直被认为是假设性的结构，无法单独稳定存在。２００４年，英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫用胶带反复剥离高定向热解石墨的方法，得到了稳定存在的石墨烯。石墨烯的出现颠覆了传统理论，使碳的晶体结构形成了从零维的富勒烯、一维的碳纳米管、二维的石墨烯到三维的金刚石和石墨的完整体系。 石墨烯的结构非常稳定。石墨烯内部的碳原子之间的连接很柔韧，当施加外力于石墨烯时，碳原子面会弯曲变形，使得碳原子不必重新排列来适应外力，从而保持结构稳定。这种稳定的晶格结构使石墨烯具有优秀的导热性。石墨烯是构成石墨，木炭，碳纳米管和富勒烯碳同素异形体的基本单元。完美的石墨烯是二维的，它只包括六边形(等角六边形); 如果有五边形和七边形存在，则会构成石墨烯的缺陷。12个五角形石墨烯会共同形成富勒烯。石墨烯卷成圆桶形可以用为碳纳米管 石墨烯的出现在科学界激起了巨大的波澜，人们发现，石墨烯具有非同寻常的导电性能、超出钢铁数十倍的强度和极好的透光性，它的出现有望在现代电子科技领域引发一轮革命。 石墨烯目前是世上最薄却也是最坚硬的纳米材料，它几乎是完全透明的，只吸收2.3%的光；导热系数高于碳纳米管和金刚石，石墨烯是迄今为止世界上强度最大的材料，据测算如果用石墨烯制成厚度相当于普通食品塑料包装袋厚度的薄膜（厚度约100 纳米），那么它将能承受大约两吨重物品的压力，而不至于断裂，石墨烯是世界上导电性最好的材料。 常温下其电子迁移率比纳米碳管或硅晶体高，而电阻率比铜或银更低，为目前世上电阻率最小的材料。因为它的电阻率极低，电子迁移的速度极快，因此被期待可用来发展出更薄、导电速度更快的新一代电子元件或晶体管。由于石墨烯实质上是一种透明、良好的导体，也适合用来制造透明触控屏幕、光板、甚至是太阳能电池。石墨烯另一个特性，是能够在常温下观察到量子霍尔效应。 2，最热的应用合成 石墨烯的应用范围广阔。根据石墨烯超薄，强度超大的特性，石墨烯可被广泛应用于各领域． 根据其优异的导电性，使它在微电子领域也具有巨大的应用潜力。石墨烯有可能会成为硅的替代品，制造超微型晶体管，用来生产未来的超级计算机，碳元素更高的电子迁移率可以使未来的计算机获得更高的速度。最小最快石墨烯晶体管。2011年4月7日IBM向媒体展示了其最快的石墨烯晶体管，该产品每秒能执行1550亿个循环操作，比之前的试验用晶体管快50%。 石墨烯材料还是一种优良的改性剂，在新能源领域如超级电容器、锂离子电池方面，由
富勒烯的研究应用与进展
富勒烯（C60）研究与应用现状 化工与材料学院
富勒烯（C60）研究与应用现状 （辽宁省大连市甘井子区轻工苑1号大连工业大学化工与材料学院 116034） 摘要：富勒烯发现至今只有短短20年时间,由于其独特的结构和物理、化学性质,吸引了众多科学家的目光,因此在这20 年中,使得C60化学得到了很大的发展.文章综述了富勒烯的几种合成方法，并阐述了目前常用的应用现状，最后对其未来的发展作了展望。 关键词富勒烯；合成方法；应用 引言 富勒烯的发现始于1985 年Kroto 等【1】在高真空环境下激光溅射石墨的研究。利用这种方法只能产生数以千计的富勒烯分子,根本无法进行富勒烯详细的性质表征研究, 当然更谈不上应用。1990 年,Krastchmer 等【2】发明了低压氦气环境下石墨电极电弧放电法合成富勒烯,能够得到克量级的C60 产物。由于富勒烯特殊的结构和性能,在材料、化学、超导与半导体物理、生物等学科和激光防护、催化剂、燃料、润滑剂、合成、化妆品、量子计算机等工程领域具有重要的研究价值和应用前景。1991 年富勒烯被美国《科学》杂志评为年度分子,富勒烯被列为21 世纪的新材料。此后,科学家经过不断的探索和研究,发明了更多生产富勒烯的方法,例如连续石墨电极放电法、激光配合高温石墨棒蒸发法【3】、引入铁磁性金属催化剂法【4、5】、高温等离子体石墨蒸发法【6、7】,苯高温火焰燃烧法【8-10】等。而且富勒烯在日常生活中的应用越来越广泛, 因而富勒烯产品在未来社会具有很好的发展前景。 2.富勒烯的合成方法 2.1水下放电法 水下放电法【11】将电弧室中的介质由惰性气体换为去离子水, 采用直流电弧放电, 以碳纯度为99%、直径6mm的碳棒做阳极, 直径为12mm的碳棒做阴极, 放入2. 5L 的去离子水中至其底部3mm的位置, 在电压为16 ～17V、电流为30A的条件下拉直流电弧, 产物可在水表面收集。 水下放电法不需要传统电弧法的抽气泵和高度密封的水冷真空室等系统, 免除了复杂昂贵的费用, 可进一步降低反应温度, 能耗更小, 并且产物在水表面收集而不是在整个有较多粉尘的反应室。与传统电弧法相比, 此法产率及质量均较高。此法可制备出球形洋葱富勒烯、像富勒烯似的碳纳米粒子、类似碳纳米管和富勒烯粉末。 总之, 电弧法是目前应用最广泛、有可能进一步扩大生产规模的制备方法, 其C60产率可达10% ～13% , 为其物理、化学的研究奠定了基础。电弧法制备碳纳米管产率约为30% ～70% , 在电弧放电的过程中能达到4 000K的高温, 这样的温度下碳纳米管最大程度地石墨化, 所以制备的管缺陷少, 比较能反映碳纳米管的真正性能。但由于电弧放电通常十分剧烈, 难以控制进程和产物, 合成的沉积物中存在有碳纳米颗粒、无定形炭或石墨碎片等杂质, 而且碳管和杂质融合在一起, 很难分离。 2.2CVD法 CVD是制备富勒烯的另一种典型方法。催化热分解反应过程一般是将有机气体(通常为C2 H2 )混以一定比例的氮气作为压制气体, 通入事先除去氧的石英管中, 在一定的温度下, 在催化剂表面裂解形成碳源, 碳源通过催化剂扩散,在催
富勒烯介绍
富勒烯的发现、特性、结构极其应用 化学与材料科学学院化学专业0501班吴铭 摘要：长期以来，人们只知碳的同素异形体有三种：金刚石,石墨和无定形碳。自1985年发现了巴基球，1991年1992年又相继发现了巴基管（碳纳米管）和巴基葱，碳有了第四种同素异形体富勒烯，于是人们便开始了对其结构与特性的研究，并广泛应用。本文综述了富勒烯的发现、特性、结构极其应用。 关键词：富勒烯结构特性应用 目前为止，碳的同素异形体已被发现四种：金刚石，石墨，不定形碳和富勒烯。其中，人们对前三种应该早就熟知了，而对于最后一种恐怕大多人知知甚少。巴基球，巴基管和巴基丛统称富勒烯。以下则介绍富勒烯的发现特性，结构极其应用。 一．发现 (一) 巴基球的发现 英国萨塞克斯大学的波谱学家克罗托(h.w.kvoto)在研究星际空间暗云中含碳的尘埃时，发现此尘埃中有氰基聚分子，克罗托很想研究该分子形成的机制，但没有相应的设备.1984年克罗托赴美参加陂得萨斯州奥斯汀举行的学术会议，并到莱斯大学参观，现该校化学系系主任科生(R.F.cuv.jv)教授介绍，认识了研究原子簇化学的斯莫利教授，观看了斯莫利和他的研究生用他们设计的激光超团簇发生器，在氦气中用激光使碳化硅变成蒸汽的实验，克罗托对这台仪器非常感兴趣，这正是所渴求的仪器。三位科学家优异合作并安排在1985年8月到9月间进行合作研究。是时，他们用功率激光轰击石墨，使石墨中的碳原子汽化，用氮气流把气态碳原子送入真空室。迅速冷却后形成碳原子簇，再用质谱仪检测。他们解析质谱图后发现，该实验产生了含不同碳原子数的原子簇。其中相当于60个碳原子，质量数落在720处的信号最强，其次是相当于70个碳原子，质量数为840处的信号最强。说明C60是相对稳定的原子簇分子。(图1) (二) 巴基管和巴基丛的发现 1991年日本NFC公司的电镜专家饭岛博士，在氮气直流电弧放电后的阴极棒上发现了管状的结构的碳原子簇，直径约几纳米，成为碳纳米管（Cerbonnanofubes），又称巴基管（Buckytabes）。碳纳米管也是典型的富勒烯，可以有单层和多层之分，多层管则由几个或几十个单层管回轴套叠而成．想另管距为0。34nm与石墨层检举0。335nm相近．饭岛发现，如果巴基管全由方边形碳环组成，该管是不封闭的，可以向两端伸长;如果在管子两端有五边形，会将巴基管末端封闭。(图4) 1992年瑞士联邦大学的D.vgarte年人用高强度电子来对碳棒长时间照射，发现了多层相套的巴基球，结构像洋葱(Buckyonlons)。巴基葱的层面可达70多层。(图5) 二．结构及特性 (一)结构
石墨烯力学性能研究进展
石墨烯力学性能研究进展* 韩同伟‘贺鹏飞2,t骆英‘张小燕“ 江苏大学土木工程与力学学院，江苏镇江212013 2同济大学航空航天与力学学院，上海200092 3江苏大学化学化工学院，江苏镇江212013 摘要石墨烯是近年来发现的由单层碳原子通过共价键结合而成的具有规则六方对称的理想二维晶体，是继富勒烯和碳纳米管之后的又一种新型低维碳材料.由于具有非凡的电学、热学和力学性能以及广阔的应用前景，石墨烯被认为是具有战略意义的新材料，近年来迅速成为材料科学和凝聚态物理等领域最为活跃的研究前沿.本文简要介绍了研究石墨烯力学性能的实验测试、数值模拟和理论分析方法，重点综述了石墨烯力学性能的最新研究进展，主要包括二维石墨烯的不平整性和稳定性，石墨烯的杨氏模量、强度等基本力学性能参数的预测，石墨烯力学性能的温度相关性和应变率相关性、原子尺度缺陷和掺杂等对力学性能的影响以及石墨烯在纳米增强复合材料和微纳电子器件等领域的应用，最后对石墨烯材料与结构的力学研究进行了展望. 关键词石墨烯，力学性能.分子动力学，缺陷 1引言 石墨烯(graphene)，又称为二维石墨片，是由单层碳原子通过共价键(碳5pz杂化轨道所形成的二键、二键)结合而成的具有规则六方对称的理想二维晶体11-21，如图1所示，于2004年由英国曼彻斯特大学的安德烈·盖姆(Andre Geim)和康斯坦丁·诺沃肖罗夫(Konstantin Novoselov)首先发现[fll，是继富勒烯(Cso)和碳纳米管(CNTs)之后的又一种新型低维碳材料，其厚度仅为头发丝直径的20万分之一。约为0.335 nm，是目前发现的最薄的层状材料. 在石墨烯中，每个碳原子通过很强的0键(自然界中最强的化学键)与其他3个碳原子相连接，这些很强的碳一碳键致使石墨烯片层具有极其优异的力学性质和结构刚性.碳原子有4个价电子，每个碳原子都贡献一个未成键的兀电子。这些兀电子与平面成垂直的方向可形成二轨道，二电子可在晶体中自由移动，赋予石墨烯良好的导电性.但这些面外离位的二键与相邻层内的二键的层间相互作用远远小于一个6键，即片层间的作用力较弱，因此石墨层间很容易互相剥离，形成薄的石墨片.石墨烯的碳基二维晶体是形成sp“杂化碳质材料的基元，它可以包裹起来形成零维的富勒烯(fullerene, Cso)，卷起来形成一维的纳米碳管(carbon nanotube, CNT)，层层堆积形成三维的石墨(graphite)，石墨烯是构建众多碳质材料的基本结构单元[[3J，如图2所示. 由于独特的二维结构以及优异的晶体品质，石墨烯具有十分优异的电学、热学、磁学和力学性能fl-$1，有望在高性能纳米电子器件、复合材料、场发射材料、气体传感器、能量存储等领域获得广泛应用.石墨烯是零隙半导体，具有一般低维碳材料所无法比拟的载流子特性，是其备受关注的重要原因之一石墨烯成为凝聚态物理学中独一无二的描述无质量狄拉克一费米子(masslessDirac Fermions)的模型体系，这种现象导致了许多新奇的电学性质因此，石墨烯为相对论量子电动力学现象的研究提供了重要借鉴.研究还表明，石墨烯的热导率和机械强度(5kW}m-1}K-1和1.06 TPa)可与宏观石墨材料相媲美，断裂强度与碳纳米管相当f7-sl.此外，石墨烯为制备集超高导电、导热及机械性能等各种优越性能于一体的新型功能复合材料提供了一种理想的纳米填料[fl。一’‘].因此，石墨烯被誉为新一代战略材料，近年来迅速成为材料科学和凝聚态物理领域最为活跃的研究前沿[2,1“一’51. 2009年12月，Science杂志将石墨烯研究取得新进展”列为2009年十大科技进展之一2010年10月，英国曼彻斯特大学的两位科学家安德烈·盖姆和康斯坦丁.诺沃肖罗夫因在二维空间材料石墨烯方面的开创性实验而获得诺贝尔物理学奖，由此引发石墨烯新的研究热潮.
富勒烯
姓名：秦晨学号：201130451119 富勒烯材料 前言： 富勒烯（Fullerene) 是一种碳的同素异形体。任何由碳一种元素组成，以球状，椭圆状，或管状结构存在的物质，都可以被叫做富勒烯。富勒烯与石墨结构类似，但石墨的结构中只有六元环，而富勒烯中可能存在五元环。1985年Robert Curl等人制备出了C60。1989年，德国科学家Huffman和Kraetschmer的实验证实了C60的笼型结构，从此物理学家所发现的富勒烯被科学界推向一个崭新的研究阶段。富勒烯的结构和建筑师Fuller的代表作相似，所以称为富勒烯。 1985年英国化学家哈罗德·沃特尔·克罗托博士和美国科学家理查德·斯莫利在莱斯大学制备出了第一种富勒烯，即富勒烯分子，因为这个分子与建筑学家巴克明斯特·富勒的建筑作品很相似，为了表达对他的敬意，将其命名为巴克明斯特·富勒烯。饭岛澄男早在1980年之前就在透射电子显微镜下观察到这样洋葱状的结构。自然界也是存在富勒烯分子的，2010年科学家们通过史匹哲太空望远镜发现在外太空中也存在富勒烯。“也许外太空的富勒烯为地球提供了生命的种子”。 在富勒烯的发现之前，碳的同素异形体的只有石墨、钻石、无定形碳（如炭黑和炭），它的发现极大地拓展了碳的同素异形体的数目。巴基球和巴基管独特的化学和物理性质以及在技术方面潜在的应用，引起了科学家们强烈的兴趣，尤其是在材料科学、电子学和纳米技术方面。 命名 很像足球的球型富勒烯也叫做足球烯，或音译为巴基球，中国大陆通译为富勒烯，台湾称之为球碳，香港译为布克碳；偶尔也称其为芙等；管状的叫做碳纳 为例，第一种是标准的写法，米管或巴基管。富勒烯的中文写法有三种，以C 60 即[60]富勒烯；第二种为碳60，60也不用下标，这是中文专用的写法；第三种为
石墨烯材料研究进展
石墨烯材料研究进展 化学工程与工艺 0909403068 王月 摘要：石墨烯具有非凡的物理及电学性质，如高比表面积、高导电性、高机械强度、易于修饰及大规模生产等。2004年石墨烯的成功剥离，使石墨烯成为形成纳米尺寸晶体管和电路的“后硅时代”的新潜力材料，其产品研发和应用目前正在全球范围内急剧增加。本文通过对石墨烯的特性、制备和应用现状几方面进行了综述。 关键词：石墨烯制备应用进展 石墨烯是碳 原子紧密堆 积成单层二 维蜂窝状晶 格结构的一 种碳质新材 料，是构筑 零维富勒 烯、一维碳 纳米管、三 维体相石墨等sp2杂化碳（即碳以双键相连或连接其他原子）的基本结构单元，如图1所示。石墨烯的理论研究已有60多年的历史，但直至2004年，英国曼彻斯特大学物理学家安德烈〃海姆和康斯坦丁〃诺沃肖洛夫，
利用胶带剥离高定向石墨的方法获得真正能够独立存在的二维石墨 烯晶体，并发现了石墨烯载流子的相对论粒子特性，才引发石墨烯研 究热。这以后，制备石墨烯的新方法层出不穷，人们发现，将石墨烯 引入工业化生产的领域已为时不远了[1]。 1石墨烯的特性 石墨烯是零带隙半导体，有着独特的载流子特性，为相对论力学 现象的研 究提供了一条重要 途径；电子在石墨 烯中传输的阻力很 小，在亚微米距离 移动时没有散射，具 有很好的电子传输 性质；石墨烯韧性 好，它们每100nm 距离上承受的最大 压力可达2.9N ［2］，是迄今为止发现的力学性能最好的材料之一。石墨烯特有的 能带结构使空穴和电子相互分离，导致了新电子传导现象的产生,如 量子干涉效应、不规则量子霍尔效应。Novoselov 等观察到石墨烯具 有室温量子霍耳效应，使原有的温度范围扩大了10倍。石墨烯在很 多方面具备超越现有材料的特性，具体如图 2 ［3］所示，日本企业的 一名技术人员形容单层石墨碳材料“石墨烯”是“神仙创造的材料”。 图2 石墨烯的特点
煤基富勒烯的制备研究
第40卷增刊12000年12月 大连理工大学学报 JOurnal Of Dalian University Of TechnOlOgy VOl .40 S 1Dec .2000 文章编号:1000-8608(2000D S 1-S 0041-05 收稿日期:2000-07-31 基金项目:国家自然科学基金资助项目(29506041D ;辽宁省科学基金资助项目(95031D 作者简介:邱介山(1964-D 男 教授 博士生导师;E -mail :jgiu @chem .dlut .edu .cn . 煤基富勒烯的制备研究 邱介山 周 颖 王琳娜 杨兆国 韩红梅 (大连理工大学材料化工系 辽宁大连 116012D 摘要:以14种国产煤为原料 用电弧等离子体蒸发法制备富勒烯.富勒烯产品的表征采用质 谱~紫外光谱~红外光谱及高压液相色谱技术.考察了煤样的基础性质对富勒烯产率的影响.结果表明 由实验所用煤种均可制得富勒烯;原料煤本身的化学结构和组成影响富勒烯的产率和分布;由某些煤得到的富勒烯中 C 70的含量较之以石墨电极为原料时的含量要高得多. 关键词:煤;电弧等离子体/富勒烯中图分类号:T;221.23;T;536文献标识码:A 15年前以C 60分子为代表的富勒烯新材料的 发现[1] 开创了化学和材料研究的新领域 它从一开始就在世界范围内成为众多科学家关注的研究热点.已有的研究工作表明 富勒烯在物理~化学~材料~生命科学等众多领域均有巨大的应用潜力.C 60富勒烯的发现者Kroto 等人因此被授予1996年度的诺贝尔化学奖.随着对C 60性质和应用研究的不断深入与发展 寻找廉价原料 扩大制备富勒烯的原料来源 已成为广大研究者的共识.以储量丰富的煤炭为原料制备富勒烯 由于其低廉的价格~独特的化学结构而得到许多研究者的关注[2~6]. 本文以14种国产煤为原料 用电弧等离子体蒸发法制备富勒烯 着重研究了煤的灰分~挥发分及固定碳含量等基础性质对富勒烯产率的影响. 1 实验部分 实验所用煤种包括4种无烟煤(阳泉~北京~晋城和汝萁沟D 8种烟煤(贫煤~瘦煤~1/3焦煤~肥煤~气煤和长焰煤D 以及2种褐煤(扎赉诺尔和宝日希勒煤D.煤样经预处理后得到直径为12mm 的煤基炭棒.成型所用粘结剂为鞍山钢铁公司的中温沥青.原料煤的预处理工艺流程参见文献[7].制备富勒烯所用的电弧等离子体蒸发实验装置参见文献[8].在电弧蒸发焦棒过程中所使用的缓冲 气体是高纯氦气. 为考察煤中灰分对富勒烯形成的影响 对一部分煤样进行了碱法脱灰处理[9] 具体步骤如下:原煤粉碎至粒度小于150pm 在NaO 的溶液中(碱煤质量比为0.4D 于55 下浸泡24h 在100 下烘干后放入温度为340 的马弗炉中进行碱煤反应90min 煤样冷却后用去离子水洗涤至中性 然后再用10%的盐酸溶液浸泡90min 最后用去离子水洗涤至中性并烘干备用.煤样脱灰前后的工业分析数据示于表1. 富勒烯的制备是在如下条件[8]下进行的:氦气压力0.018~0.020M a 直流电流1=80~100A .目标产物富勒烯存在于所制得的烟灰中 这些烟灰沉积在电弧反应器的内壁上.烟灰经甲苯索氏抽提即获得黑色的晶体状富勒烯混合物.富勒烯的表征采用质谱(MS D ~紫外可见吸收光谱(UV -Vis D ~红外光谱(FT -IR D 和高压液相色谱( LC D 进行. 2 实验结果与讨论 MS ~UV -Vis 和FT -IR 等技术是对富勒烯进行定性研究的可靠分析手段.用MS ~UV -Vis 和FT -IR 技术对电弧等离子体蒸发煤基炭棒所得烟灰经索氏抽提后得到的富勒烯进行了研究 结果见图1~3.
石墨烯传感器研究进展
石墨烯传感器的研究进展 摘要 本文论述了石墨烯电化学和生物传感器的研究进展，包括石墨烯的直接电化学基础、石墨烯对生物小分子的电催化活性、石墨烯酶传感器、基于石墨烯薄膜 和石墨烯纳米带的实用气体传感器（可检测Ｏ 2、ＣＯ和ＮＯ 2 ）、石墨烯ＤＮＡ传 感器和石墨烯医药传感器（可用于检测扑热息痛）。 2004年，英国曼彻斯特大学ＡｎｄｒｅＫ．Ｇｅｉｍ等以石墨为原料，通过微机械力剥离法得到一系列叫作二维原子晶体的新材料———“石墨烯（Ｇｒａｐｈｅｎｅ）”。 石墨烯是碳纳米材料家族的新成员，具有二维层状纳米结构，室温下相当稳定。由于在石墨烯中碳原子呈ｓｐ２杂化，贡献剩余一个ｐ轨道上的电子形成了大π键，π电子可以自由移动，使石墨烯具有优良的导电性、新型的量子霍尔效应以及独特的超导性能。石墨烯对一些酶呈现出优异的电子迁移能力，并且对一些小分子（如H2O2、ＮＡＤＨ）具有良好的催化性能，使其适合做基于酶的生物传感器，即葡萄糖传感器和乙醇生物传感器。在电化学中应用的石墨烯大部分都是由还原石墨烯氧化物得到的，也称为功能化石墨烯片或者化学还原石墨烯氧化物，这种物质通常有较多的结构缺陷和官能团，在电化学应用上具有优势。 碳是电化学分析和电催化领域应用最广的材料。例如，碳纳米管在生物传感器、生物燃料电池和质子交换膜（ＰＥＭ）燃料电池方面有着良好的性能。基于石墨烯的电极在电催化活性和宏观尺度的导电性上比碳纳米管更有优势。因此，在电化学领域，石墨烯就有了大展身手的机会。石墨烯在电化学传感器上的应用有以下优点：①体积小，表面积大；②灵敏度高；③响应时间快；④电子传递快； ⑤易于固定蛋白质并保持其活性；⑥减少表面污染的影响。 １石墨烯的电化学基础 为了更好地了解碳材料在电化学领域的应用，有必要研究决定碳电极的几种重要参数的基本电化学行为，即电化学位窗口、电子迁移速率、氧化还原电位等。 ＺｈｏｕＭｉｎｇ等报道称石墨烯在０．１ｍｏｌ／ＬＰＢＳ（ｐＨ为７．０）中具有大约２．５Ｖ的电化学电位窗口，这与石墨、玻碳、甚至掺杂硼的金刚石电极相似，但是，从交流阻抗谱来看，石墨烯对电荷迁移的阻力比石墨和玻碳电极对电荷迁移的阻力小。 Ｔａｎｇ等通过氧化还原电对的循环伏安法研究了石墨烯的电子迁移行为，如具有良好氧化还原峰的３－／４－和３＋／２＋。在循环伏安法中所有阴阳两极的峰值电流都与扫描速率的平方根呈线性关系，表明石墨烯电极的氧化还原过程主要是由扩散控制的。在ＣＶｓ（循环伏安法）中，石墨烯中一个电子迁移的氧化还原电对的峰值电位差（ΔＥｐ）非常低，很接近于５９ｍＶ的理想值，比玻碳电极的小很多；另外，３－／４－的峰值电位差为６１．５～７３ｍＶ