第4章 碳时代—从富勒烯、碳纳米管到石墨烯
碳材料介绍(专业知识)
新型碳材料的发展及简介摘要:碳是世界上含量十分丰富的一种元素。
碳材料在人类发展史上起着主导的作用，其应用最为出众的一次是在第二次工业革命。
现代科技的发展使得人类又获得了几种新型的碳材料--碳纳米管、碳纤维、C60、碳素系功能材料等。
关键词：碳材料碳纳米管碳纤维一、前言碳是世界上含量及广的一种元素。
它具有多样的电子轨道特性（SP、SP2、SP3杂化），再加之SP2的异向性而导致晶体的各向异性和其排列的各向异性，因此以碳元素为唯一构成元素的的碳材料，具有各式各样的性质。
在历史的发展中传统的碳材料包括：木炭、竹炭、活性炭、炭黑、焦炭、天然石墨、石墨电极、炭刷、炭棒、铅笔等。
而随着社会的发展人们不断地对碳元素的研究又发明了许多新型炭材料：金刚石、碳纤维、石墨层间化合物、柔性石墨、核石墨、储能型碳材料、玻璃碳等。
其中新型纳米碳材料有：富勒烯、碳纳米管、纳米金刚石、石墨烯等。
没有任何元素能像碳这样作为单一元素可形成如此多类结构和性质不同的物质，可以说碳材料几乎包括了地球上所有物质所具有的性质，如最硬--最软、绝缘体--半导体--超导体、绝热-良导热、吸光--全透光等。
随着时代的变迁和科学的进步，人们不断地发现和利用碳，可以这么说人们对碳元素的开发具有无限的可能性。
自1989年著名的科学杂志《Science》设置每年的“明星分子”以来，碳”相继于1990年和1991年连续两年获此的两种同素异构体“金刚石”和“C60殊荣，1996年诺贝尔化学奖又授予发现C的三位科学家，这些事充分反映了60碳元素科学的飞速发展。
但是由于碳元素和碳材料具有形式和性质的多样性，从而决定了碳元素和碳材料人有许多不为人们知晓的未开发部分。
二、国内外新型碳材料的发展趋势新材料的研究开发包括四方面内容：①新材料的创制；②移植材料的新功能及新性质的发现；③已知材料的改性；④新材料创制和评价技术的开发。
近和几年人们在新材料的创制方面先后划时代地发明了低温气相生长金刚石、C60纳米碳管；在材料新发现方面发现了石墨的插层性质，使锂离子充电电池得以实用化和飞速发展；在材料改性方面提高和改进了石墨电极的性能，使之在超高电流下工作，使电炉炼钢技术出现新的突破；在新材料评价技术方面也有许多进展，如超高温超高压技术用于碳素新相的探索等。
碳纳米管和富勒烯的光电特性和应用
碳纳米管和富勒烯的光电特性和应用一、碳纳米管的结构性能及应用（一）碳纳米管的结构碳纳米管是指由类似石墨的六边形网格组成的管状物，可以看作是石墨片层绕中心轴按一定的螺旋角卷曲而成。
管子一般由单层或多层组成，相应的纳米碳管就称为单壁纳米碳管（SWNT和多壁纳米碳管（MWNT）碳纳米管具有典型的层状中空结构特征，构成碳纳米管的层片之间存在一定的夹角碳纳米管的管身是准圆管结构，并且大多数由五边形截面所组成。
管身由六边形碳环微结构单元组成，端帽部分由含五边形的碳环组成的多边形结构，或者称为多边锥形多壁结构。
是一种具有特殊结构（径向尺寸为纳米量级，轴向尺寸为微米量lEjf-级、管子两端基本上都封口）的一维量子材料。
它主要由呈六边形排列的碳原子构成数层到数十层的同轴圆管。
层与层之间保持固定的距离，约为0.34nm,直径一般为2〜20nm长度可达数微米，因此有较大的长径比。
资料表明：碳纳米管的晶体结构为密排六,c=0.6852nm,c/a=2.786 , 与石墨相比,a值稍小而c值稍大,预示着同一层碳管内原子间有更强的键合力，碳纳米管有极高的同轴向强度。
多壁碳纳米管存在三种类型的结构,分别称为单臂纳米管、锯齿形纳米管和手性形纳米管。
由于其独特的结构，碳纳米管的研究具有重大的理论意义和潜在的应用价值，女口：其独特的结构是理想的一维模型材料；巨大的长径比使其有望用作坚韧的碳纤维，其强度为钢的100咅，重量则只有钢的1/6;同时它还有望用作为分子导线，纳米半导体材料，催化剂载体，分子吸收剂和近场发射材料等。
（二）碳纳米管的主要性质及应用（1）碳纳米管的性质如下：1. 碳纳米管上碳原子的P 电子形成大范围的离域n 键，由于共轭效应显著， 碳纳米管具有一些特殊的电学性质。
碳纳米管具有良好的导电性能，由于碳纳米管的结构与石墨的片层结构相 同，所以具有很好的电学性能。
理论预测其导电性能取决于其管径和管壁的螺旋 角。
当CNTs 的管径大于6nm 时，导电性能下降；当管径小于 6nm 时，CNTs 可以 被看成具有良好导电性能的一维量子导线。
昆明理工大学材料学院学生大四上学期专业课论文 碳纳米材料
纳米碳材料课程名称：纳米材料和技术学生姓名：XX学号：XXXX班级：XX日期：20XX年X月X日纳米碳材料XX（昆明理工大学，云南省昆明市，650093）摘要：碳纳米材料具有独特的低维纳米结构、优异的性能和潜在的应用价值。
新型纳米材料的碳纳米材料因其本身所拥有的潜在优越性,在化学、物理学及材料学领域具有广阔的应用前景,成为全球科学界各级科研人员争相关注的焦点.。
本文在前人研究的基础上对纳米碳材料的发展历史，几种主要纳米碳材料的特性、应用、制备方面做了一些阐述。
关键词：纳米；碳材料；历史；性质；应用；制备；C60；碳纳米管；石墨烯一概述碳纳米材料是指分散相尺度至少有一维小于100nm的碳材料。
分散相既可以由碳原子组成，也可以由异种原子（非碳原子）组成，甚至可以是纳米孔。
纳米碳材料主要包括三种类型：碳纳米管，碳纳米纤维，纳米碳球。
碳是自然界中极其丰富的元素之一，也是同素异形体最为丰富的元素之一。
金刚石和石墨是被大家所熟知的碳的最常见的两种同素异形体。
1985年富勒烯的发现让人们认识了碳家族的一位新成员，并促使人们去发现更多碳的同素异形体。
1991年碳纳米管的问世进一步丰富了碳家族，碳纳米管因其优异的电学、力学、热学和物理化学等性能在众多领域都有着潜在的应用前景，在过去的2O年问受到研究者们广泛的关注。
2004年石墨烯的发现在完善碳家族成员的同时也将人们对碳纳米材料的研究推向了一个新的高度。
二碳纳米材料的发展历史人工制备纳米材料的历史有1000多年，如中国古代碳黑制墨，铜镜表面的纳米氧化锡薄膜防锈等，直至胶体化学的建立。
从60年代起人们开始自觉地把纳米微粒作为研究对象进行探索，但正式把纳米材料科学作为材料科学一个新的分支公布于世的是在1990年7月于美国巴尔基摩召开的国际第一届纳米科学技术会议上。
各种形态的纳米晶体。
作为一类很重要的材料，很早之前，人们就开始了相关领域的研究：1984年，德国H. Gleiter等首次采用惰性气体蒸发冷凝法制备了具有清洁表面的Fe、Cu、Pd等纳米金属微粉。
碳纳米材料简介
碳纳米材料简介第一章碳纳米材料简介碳元素碳在元素周期表中排第六位，是自然界分布非常广泛的元素，也是目前最重要、最使人着迷的元素之一。
尽管它在地壳中含量仅为0.027%，但是对一切生物体而言，它是最重要且含量最多的元素，人体中碳元素约占总质量的18%。
碳元素是元素周期表中ⅣA族中最轻的元素。
它存在三种同位素：12C、13C、14C。
碳单质有多重同素异形体，他是迄今为止人类发现的唯一一种可以从零围到三维都稳定存在的物质。
如零维的富勒烯（fullerenes），一维的碳纳米管（carbon nanotubes），二维的石墨烯（graphene），三维的金刚石（diamond）和石墨（graphite）等。
碳纳米材料富勒烯富勒烯是指完全由碳原子组成的具有空心球状或管状结构的分子。
1985年，Kroto，Smalley和Curl在美国莱斯大学发现了第一个富勒烯分子——C60。
这一发现使得他们赢得了1996年的诺贝尔化学奖。
C60由60个原子组成，包含20个六元环和12个五元环。
这些环平面堆积在一起的方式和足球的表面结构一样，因此也也被称为足球烯。
从那以后，不同分子质量和尺寸的富勒烯纷纷被制备出来。
C60的发现和研究开启了对碳元素和碳纳米材料广泛、深入研究的新时代，对纳米材料科学和技术的发展起到了极大的推动作用。
由于其独特的结构，富勒烯同时具有芳香化合物和缺电子烯烃的性质，表现出很多优良的物理和化学性质（表1-1）表1-1 C60的一些基本物理和化学性质形态密度电阻率相变温度溶解性化学特性范德华直径毒性黑色固体 1.65g/cm3 4.5*103Ω·cm 800℃升华可溶于常见有机溶剂具有芳香性、多烯特性及优良的电化学特性 1.1nm 无毒碳纳米管碳纳米管（carbon nanotubes）是由碳原子形成的管状结构分子，包括单壁碳纳米管（single-walled carbon nanotubes,SWNTs）和多壁碳纳米管（multi-walled carbon nanotubes，MWNTs）。
碳纳米管的性质及其应用
碳纳米管的性质及其应用碳纳米管的性质及其应用【摘要】综述了碳纳米管的结构、性质及其应用，指出碳纳米管可看作是石墨烯片按照一定的角度卷曲而成的纳米级无缝管状物，根据层数不同可分为多壁碳纳米管和单壁碳纳米管。
碳纳米管具备良好的电学性能、热学性能及化学与电化学性能，在各个领域应用广泛。
【关键词】碳纳米管性能应用碳是地球上最丰富的元素之一，它以多种形态广泛存在于大气和地壳之中。
自1985年Smalley用烟火法成功制得C60以来，碳纳米管、碳微米管和石墨烯等多种碳结构逐渐进入人们的视线。
碳纳米管作为C60制备的副产物，较早被人们发现。
一、碳纳米管的结构碳纳米管，又称巴基管，属于富勒碳系，是在C60不断深入研究中发现的。
碳纳米管是由单层或多层石墨片围绕同一中心轴按一定的螺旋角卷曲而成的无缝纳米级管结构，两端通常被由五元环和七元环参与形成的半球形大富勒烯分子封住，每层纳米管的管壁是一个由碳原子通过sp2杂化与周围3个碳原子完全键合后所构成的六边形网络平面所围成的圆柱面。
CNT 根据管状物的石墨片层数可以分为单壁碳纳米管和多壁碳纳米管。
二、碳纳米管的性能及应用电学性能及应用碳纳米管是优良的一维介质，由于碳纳米管的特殊管状结构，管壁上的石墨片经过了一定角度的弯曲，导致量子限域和σ-π再杂化，其中3个σ键稍微偏离平面，而离域的π轨道那么更加偏离管的外侧，这使得π电子能集中在碳纳米管管壁外外表上高速流动，但在径向上，由于层与层之间存在较大空隙，电子的运动受限，因此它们的波矢是沿轴向的，这种特殊的结构使得碳纳米管具有优异的电学性能，可用于量子导线和晶体管等。
量子导线。
CNT可以被看成具有良好导电性能的一维量子导线，Tang等在研究具有较小直径的SWNT磁传导特性时发现，在温度低于20K时，直径为0.4nm的CNT具有明显的超导效应，这也预示着CNT在超导领域的应用前景。
晶体管。
Soh等成功制备出碳纳米管晶体管阵列，这种单分子晶体管是现有硅晶体管尺寸的1/500，可使集成电路的尺寸降低2个数量级以上。
碳纳米管
e) Picture of a CNT and a polymeric sponge placed in a water bath. The CNT sponge is floating on the top while the polyurethane sponge absorbed water and sank to below the surface level. f) A CNT sponge bent to arch-shape at a large-angle by finger tips. g) A 5.5cm1 cm0.18cm sponge twisted by three round turns at the ends without breaking. h) Densification of two cubic-shaped sponges into small pellets (a flat carpet and a spherical particle, respectively) and full recovery to original structure upon ethanol absorption.
范守善院士
清华大学物理系
研究领域：近十余年的研究方向集中在纳米尺度材料的 科学与技术，主要研究方向为碳纳米管的生长机理、可 控制合成与应用探索。在深入揭示和理解碳纳米管生长 机理的基础上，实现了超顺排碳纳米管阵列、薄膜和线 材的可控制与规模化制备，研究并发现了碳纳米管材料 独特的物理化学性质，基于这些性质发展出了碳纳米管 发光和显示器件、透明柔性碳纳米管薄膜扬声器、碳纳 米管薄膜触摸屏等多种纳米产品，部分应用产品已具有 产业化前景，实现了从源头创新到产业化的转换。
纳米材料—石墨烯、碳纳米管
纳米材料—石墨烯/碳纳米管1. 前言由于碳单质和化合物组成的多样性，碳及其化合物一直是材料、物理和化学领域的研究重点之一。
特别近三十年来，随着C60、碳纳米管(CNTs)、石墨烯(Graphene)等明星材料的相续发现，逐次将碳材料的研究推向高潮。
碳纳米管(CNT)和石墨烯(Graphene)分别在1991年和2004年被人们所发现。
碳纳米管是一种具有特殊结构的一维量子材料，它的径向尺寸可达到纳米级，轴向尺寸为微米级，管的两端一般都封口，因此它有很大的强度，同时巨大的长径比有望使其制作成韧性极好的碳纤维。
石墨烯是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成的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碳材料。
零维富勒烯、一维碳纳米管、二维石墨烯共同组成了骨干的碳纳米材料家族，并且它们之间可以在形式上转化（图1）。
图1 石墨烯及各种石墨形体石墨烯和碳纳米管在电学和力学等方面有着相似的性质，但由于结构不同，它们也有很多不同之处。
碳纳米管和石墨烯分别是优良的一维和二维碳材料，它们分别体现出了一维的和二维的各向异性，如导电性、力学性能和导热性等。
为了结合两者的优点，人们将石墨烯和碳纳米管共同用于复合材料。
石墨烯和碳纳米管复合材料形成三维网状结构，通过它们之间的协同效应，使其表现出比任意一种单一材料更加优异的性能，例如更好的各向同性导热性、各向同性导电性、三维空间微孔网络等特性。
基于以上性质，使得石墨烯/碳纳米管复合材料在超级电容器、太阳能电池、显示器、生物检测、燃料电池等方面有着良好的应用前景。
此外，掺杂一些改性剂的石墨烯/碳纳米管复合材料也受到人们的广泛关注，例如在石墨烯/碳纳米管复合电极上添加CdTe量子点制作光电开关、掺杂金属颗粒制作场致发射装置。
由此可见，石墨烯/碳纳米管复合材料越来越多的被人们所应用，也使得石墨烯/碳纳米管复合材料的制备和应用得到更加广泛的关注。
2. 石墨烯/碳纳米管复合材料的制备方法2.1 化学气相沉积法（CVD）CVD法因易于控制膜的组成及成份分散度而被广泛应用于制备石墨烯/碳纳米管复合膜。
碳纳米管合成以及应用ppt课件
碳纳米管的生产方法简介
➢ 石墨电弧法 ➢浮动催化法 （即碳氢化合物催化分解法，又称CVD法） ➢激光蒸汽法 ➢燃烧火焰法
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石墨电弧法：
基本原理： 电弧室充惰性气体保护，两石 墨棒电极靠近，拉起电弧，再 拉开，以保持电弧稳定。放电 过程中阳极温度相对阴极较高， 所以阳极石墨棒不断被消耗， 同时在石墨阴极上沉积出含有 碳纳米管的产物。
氢气为缓冲气 含硫化合物为生长促进剂 大阳极，阴极在其上方并 与其成一定角度 电极角度可控可半连续制 备
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化学气相沉积法（CVD）
➢特点：
设备简单、条件易控、能大规模制备、可直接生长在合适的基底上
➢常用气体：
甲烷、一氧化碳、苯等
➢催化剂：
Fe、Co、Ni、Mo等以及它们的氧化物
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激光蒸发法
影响因素： ➢催化剂 ➢保护压强（3.0x104一4.5 x 104 Pa） ➢气体（氦气、氩气） ➢激光脉冲时间间隔 （间隔越短， 产率越高） ➢激光脉冲功率（功率↑，直径↓）
按形态分：
普通封口型 变径型 洋葱型
海胆型
竹节型
念珠型
纺锤型
螺旋型
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其他异型
背景介绍
纳米管结构的表征：
扫描隧道显微镜 X射线衍射 孔结构及比表面积 电子衍射 拉曼光谱
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背景介绍
碳纳米管的表征
碳纳米管的原始状态：团聚状态，束状
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背景介绍
碳纳米管的表征
有机DMF（N，N-二甲基甲酰胺）中超声分散后碳纳米 管的SEM（左）与TEM（右）
碳纳米管按照石墨烯片的层数分类可分为：单壁碳纳米 管（SWNTs）和多壁碳纳米管（MWNTs），与多壁管相比， 单壁管是由单层圆柱型石墨层构成，其直径大小的分布范围 小，缺陷少，具有更高的均匀一致性。
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1、碳纳米管（CNT）的结构
• 由单层或多层石墨片绕中心按一定角度卷曲而成的无缝、 中空纳米管
单壁碳纳米管
多壁碳纳米管
直径为1-6 nm
直径nm → μm
2、CNT的性质
• 直径和螺旋角不同，它既可呈金属导电性， 亦可呈半导体特性
高的机械强度和弹性。
强度≥100倍的钢，密度≤1/6倍的钢
• 高的比表面积，强的吸附性能。 • 优良的光学特性
应用6：纳米碳管在超疏水材料中的应用 • 廖张洁，浙江大学，2011硕士毕业论文 《超疏水碳纳米管复合涂层的研究》
本文借助多壁碳纳米管(MWNTs)导电性好、长径比大的特点,通 过热压法、喷涂法制备了多功能超疏水涂层，分三个体系对多 功能超疏水涂层进行了研究。 (1)采用热压法制备出MWNTs/聚合物导电超疏水复合涂层，对 于常见热塑性、热固性聚合物以及表面覆有热塑性、热固性聚 合物层的无机材料而言都可以制备出方块电阻小于103Ω/sq、接 触角大于150°、滚动角小于5°的导电超疏水涂层。 (2)利用合 成的阳离子型聚合物(SMI)、正硅酸乙酯(TEOS)对MWNTs进行 改性，通过喷涂的方法制备了接触角大于160°、滚动角小于 2°、透光率达到78%的Silica/SMI/MWNTs透明超疏水复合涂层。 (3)以硅溶胶(SiO2)和羟基化碳纳米管(CNT-OH)为原料,采用喷涂 的方法制备了接触角大于160º 、滚动角小于2°的SiO2/CNT-OH 超疏水复合涂层。
3、CNT的制备方法
• • • • 电弧放电法。（已用于工业化生产） 激光蒸发法。 碳氢化合物催化分解法（CVD法）。 化学气相沉淀法。 …………..
（1）电弧法
He气
阴极 1mm 阳极
在阴极上沉积出碳纳米管 阳极石墨蒸发
• 电弧电流70～200A，过高形成无定型C和石墨 • He压力>13332Pa • 高气压低电流有利于碳纳米管的生成 • 在石墨棒上加Fe、Co、Ni后生成SWNT和富勒烯
（2）激光蒸发法
6～7mm的激光束
惰性气体流
水冷铜收集器 含有金属的石墨靶
• 形成SWNTs，产率70～90％，无MWNTs • 催化剂在SWNT的生长过程中，降低弯曲应力，
促进原子排列整齐，并阻止富勒烯分子的生成
(3) 等离子体沉积法
• 苯蒸汽通过等离子体分解后，碳原子团簇沉积于水冷铜 板上，形成200 m的MWNTs • 乙炔和氨气在666℃通过等离子热流体，在镀镍玻璃表面
发光强度随发射电流的增大而增强。
• 极好的导热、导电性能 ……………
3、碳纳米管的应用
• • • • • • • • • • 纳米电子学和光电子学 高强度复合材料 纳米医学与药物传输 传感器 一维纳米级模板与通道 光学元件 导热材料 （计算机芯片导热板） 高能微型电池、高能电容器 高温防护材料 催化剂载体 等等
第4章 碳时代—从富勒烯、碳纳米管 到石墨烯
• 1. 富勒烯的发现、制备及物性 • 2. 碳纳米管的发现、制备、物性及应用 • 3. 石墨烯的制备、物性及应用
• 本章学习目的及要求
了解几种典型的新型碳材料——富勒烯、 碳纳米管、石墨烯的发现、性质和应用情 况。
一. 富勒烯
富勒烯的结构特点
以C60为代表的富勒烯均是空心球形构型，碳原子分别
应用最为广泛的一种新型材料
应用1：纳米碳管储氢
• 原理：吸附 • 特点：
氢气的吸附和脱附可在常温进行，只要改变压力即可； 储氢量大，纯净单壁碳纳米管达5.0~10%(一般7.4%)，符合美国能源 部的标准（6.4%质量分数）
• 储氢量影响因素：
大直径有利 单壁有利 掺杂有利于储氢－
a. 多壁碳纳米管＋铜粉 储氢量5.7%
Biosensors
• 优点ห้องสมุดไป่ตู้超灵敏，应用范围广，蛋白的生理活性的测定 • 应用：医疗方面对糖尿病的检测
Nano Letter， 2004，3，727
应用5：
美国斯坦福大学的科学家成功制成“纸电池”
1999年报道，崔屹参与研究团队成功研发纸电池。 图为研究员用纸电池点亮一颗LED灯炮。 科研人员将由银和碳纳米材料制成的特殊墨水，涂在纸张上， 成功制成“纸电池”，为轻型、高效的新型能源存储带来希 望之光。/v/b/26806094-1255813677.html
氧化石墨烯 Dikin等制成了无支撑氧化石墨 烯纸状材料。氧化石墨烯片是以 一种接近平行的方式相互连接或 瓦片式连接在一起形成的，拉伸 试验表明氧化石墨烯纸具有较高 的拉伸模量和断裂强度，其平均 模量为32 GPa，性能与用类似方 法制备的碳纳米管布基纸相当。
实现人类梦想
Dreams：对于强度比世界上最好的钢铁还要高 上百倍的石墨烯，如果能加以利用，不仅可以造 出纸片般薄的超轻型飞机材料、超坚韧的防弹衣， 甚至还可以制作23000英里长伸入太空的电梯， 实现人类坐电梯进入太空的梦想。 美国国家航空航天局（NASA）悬赏400万美金 鼓励科学家们进行这种电梯的开发。
(2) 热膨胀法
用酸进行插层反应得到膨胀率较低的石墨鳞片， 鳞片的平均厚度约为30μm，横向尺寸在400μm左 右，这种石墨鳞片就是可膨胀石墨。将这种可膨 胀石墨放入微波或高温炉中加热，就可以的到厚 度为几纳米到几十个纳米的纳米石墨片。
(3) 化学法
采用改进的Hummers法制备氧化石墨：将1 g 石墨、23 mL 98%浓硫酸置于100 mL烧杯中混合均匀并置于冰浴中，搅拌 30 min，使其充分混合，称取4 g KMnO4加入烧杯中继续搅 拌1 h 后, 移入40 ℃的温水浴中继续搅拌30 min；向烧杯中加 入蒸馏水, 控制温度在100 ℃以下将反应液稀释至80-100 mL 后加适量5% H2O2，趁热过滤，用5% HCl 和蒸馏水充分洗 涤至接近中性，过滤，60 ℃烘干，得到氧化石墨。在烧杯中 配制pH为11 的NaOH溶液，将氧化石墨研碎加入烧杯中配制 氧化石墨悬浮液，置于超声波清洗器中在200 W功率下超声 30 min，得到均质稳定的氧化石墨烯胶状悬浮液；向离心后 的氧化石墨烯胶状悬浮液中加入0.5 mL水合肼，90 ℃恒温反 应10 h，得到稳定的石墨烯胶状悬浮液。
(4) 化学法 Hummer’s method
(1) 机械剥离法
以1mm 厚的高取向高温热解石墨为原料,在石墨片上用 干法氧等离子体刻蚀出一个5μm 深的平台(尺寸为20μm — 2mm ,大小不等) ,在平台的表面涂上一层2μm 厚的新鲜光 刻胶,焙固后,平台面附着在光刻胶层上,从石墨片上剥离下 来。用透明光刻胶可重复地从石墨平台上剥离出石墨薄片, 再将留在光刻胶里的石墨薄片在丙酮中释放出来,将硅片浸 泡其中,提出,再用一定量的水和丙酮洗涤。这样,一些石墨 薄片就附着在硅片上。将硅片置于丙酮中,超声除去较厚的 石墨薄片,而薄的石墨薄片( d < 10nm) 就被牢固地保留在 SiO2 表面上(这归结于它们之间较强的范德华力和毛细管作 用力) 。
形成纳米管束
（4）催化裂解法
• 碳氢化合物催化热分解，催化剂金属有Fe、Co、Ni、Pt、 Ru、Cr、V、Mo以及它们的合金，其中用Co作催化剂制得 的CNTs石墨化最好，直径最细 • 优点：产量大，是一种有前途的方法
电炉
石英管 放在瓷舟中的催化剂
气体混合
2、结构
完美的石墨烯是二维的, 它只包括六角元胞(等角六边形) 如果有五角元胞和七角元胞存在,那么他们构成石墨烯的缺陷。如果 少量的五角元胞细胞会使石墨烯翘曲; 12个五角元胞的会形成富勒烯。碳 纳米管也被认为是卷成圆桶的石墨烯;
应用2：纳米碳管在场发射电极中的应用
场致发射器件
有序阵列 平 面 电子发射
荧 光 屏
电致发射尖端
电子发射强度高 • 优点： 较低的电压下可以有效获得电子发射 可以与液晶平板显示器竞争
碳纳米管显示器问世： 在普通电压的驱动下，一厘米见方硅片上有序列的上亿 个碳纳米管立刻源源不断的发射出电 子。在电子的“轰击” 下，显示屏上“CHINA”字样清晰可见。我国一个研究小组 利用碳纳米管研制出新一代显示器样品。和传统显示器比， 这种显示器不仅体积小，重量轻，大大省电，显示质量好， 而且响应时间 仅为几微秒，从零下45度到零上85度都能正常 工作 。
b. 掺碱金属（锂、钾金属） 1atm，200～400℃或室温，储氢20％，升高温度，释放H2
碳种类
H2吸附量
吸附条件
活性碳 富勒烯
碳纳米管
5.1% 4.8%
5～10％
150K，5.4MPa Ni催化剂，432K，5MPa
室温，40KPa
应用2：纳米碳管在场发射电极中的应用 • 扫描隧道显微镜针尖 MWNT一端进行基团修饰，可以用来识别一些 特种原子
以五元环和六元环而构成球状。
如C60是由12个正五边形和20个正六边形组成的三十二 面体，像一个足球。每个五边形均被5个六边形包围, 而 每个六边形则邻接着3个五边形和3个六边形。碳原子彼 此以σ键键合，其杂化轨道类型介于sp2与sp3之间，平 均键角为116°.
C60的合成
1985年以激光气化石墨法只能制取几毫克的C60，不 足以开展大量的研究。直到1990年，C60的合成才取 得突破。目前C60的合成法主要可分为以下两种： ★石墨气化法 电弧放电法气化石墨，每小时可气化10g，产 物是一种黑色粉末，是C60和C70的混合物。用升华 法、色谱法等可得到纯的C60和C70。 ★纯碳燃烧法 在573～673 K真空中加热特制的炭黑，收集蒸 气凝结成的固体，制得C60和C70。
柔性透明导电膜——碳纳米管触摸屏： /u/vw/27747616
应用3：纳米碳管在化学传感器中的应用
• 由于碳纳米管暴露在NO2 和NH3 时，电导发生明显的 增加或减小，奠定了在气体化学传感器应用的基础。 • Kong. J 等人测定了SWNT在NO2 和NH3通过时，碳纳米 管电导随电压的变化情况。 电导 NO2 3个数量级；电导 NH3 2个数量级