新型碳纳米结构的发现与启示
第29卷第1期2014年2月
大学化学
UNIVERSITY CHEMISTRY Vol.29No.1
Feb.2014 新型碳纳米结构的发现与启示*
张安琪1 陈萌2**
(1复旦大学材料科学系 上海200433;2复旦大学化学系 上海200433)
摘要 回顾了C60二碳纳米管和石墨烯3种重要碳纳米结构的发现过程,着重总结了新型碳单质发现过程中对科学研究者有益的启示与思考三
关键词 富勒烯 碳纳米管 石墨烯
1985年,C60的诞生改变了人们对碳元素单质种类的认识,这种 最完美的分子”顺理成章地成为第3种具有规整结构的碳同素异形体三C60的发现和研究,引发了大型碳笼分子及其衍生物的研究热潮,开启了一项全新的化学研究领域 富勒烯科学三随后,碳纳米管的发现(1991年)和石墨烯的制备(2004年)进一步丰富了 碳家族”成员三3种碳纳米结构的认识历程跌宕起伏,高潮迭起,颇具戏剧性;回顾其发现历程,总结和吸取其经验教训,能够带给我们许多有益的启示三
1 新型碳材料的发现
1.1 富勒烯
很多重大的科学发现是有 先兆”的三1966年,David E.H.Jones[1]在科普周刊‘新科学家“(New Scientist)发表了一篇题为 空心分子”的文章,提出空心石墨 气球”的构想三但这一想法过于理想化,且无事实依据,未能引起人们的关注三到20世纪70年代早期,Donald R.Huffman教授和Wolfgang Kratschmer博士用石墨挥发凝聚法得到微小碳粒,这种颗粒在紫外区域产生了类似于星际物质的消光光谱三不过当时人们普遍认为碳单质仅有金刚石和石墨两种结构,这种颗粒及其可能来源于石墨的吸收峰,并无研究价值三Huffman和Kratschmer只是简单地将其解释为制造过程中不小心引入的杂质,从而错过了重大科学发现的机会三
与此同时,英国波谱学家H.W.Kroto推测遥远星际空间的红巨星的富碳气氛中含有氰基聚炔链状分子(HC n N,n<15),他希望通过模拟富碳气氛合成该分子,探索其形成机制三1984年,Kroto结识了莱斯大学研究原子簇化学的R.E.Smalley教授,对他们设计的激光超团簇发生器很感兴趣三1985年, Kroto,Smalley和Curl联手合作,尝试用激光轰击石墨来制备氰基聚炔链状分子三在成功获得氰基聚炔链状分子的同时,他们意外地在第二代团簇束流发生器(AP2)的飞行时间质谱上发现了60个碳原子(C60)和70个碳原子(C70)的特征峰,其中C60处的信号峰最为强烈三那么,这个由60个碳原子组成的最稳定结构究竟是什么呢?
他们尝试把60个碳原子设计成类似于金刚石的正四面体结构二石墨的层状结构和环状多烯等多种分子结构,然而,无论怎样组合,这些结构都带有不饱和价键或碳原子支链,其化学性质必然非常活泼,这与C60分子超常稳定的事实不符三绞尽脑汁之际,Kroto想起了1967年加拿大蒙特利尔万国博览会中美国展览馆的造型 由五边形和六边形拼成的半球形建筑穹顶(图1(a)),随后,Smalley便设计了一个模型(图1(b)),恰好搭出了60个顶点的完美对称球体结构三
* **基金资助:莙政基金中国大学生见习研修计划(No.12016) E?mail:chenmeng@https://www.360docs.net/doc/4318992250.html,
图1 蒙特利尔万国博览会美国馆外观(a )和C 60分子构型(b )
更令人感到惊奇的是,这个C 60模型竟然与传统的足球相同,是由20个六边形和12个五边形拼接而成,每个五边形周围环绕5个六边形,每个六边形周围环绕6个五边形,形成有60个顶点的完美球体三为了纪念网格穹顶带给他们的灵感,他们最终决定以这位建筑师的名字巴克明斯特四富勒(Richard Buckminster Fuller)命名这个分子巴克明斯特富勒烯(Buckminster Fullerene)三1985年11月,一篇题为 C 60:Buckminster Fullerene”的论文发表在Nature 杂志上[3],引起学术界强烈反响三大多数科学家没有想到碳单质除了石墨二金刚石和无定型碳之外,还可以以第4种同素异形体的形态出现三而且,许多人对所谓 足球笼状分子”表示强烈的怀疑:仅凭一个质谱图上的尖峰,怎么能证明一个如此复杂美妙的分子结构?由于当时的合成技术还无法制备足量的样品用于其他光谱表征,Kroto,Smalley 和Curl 也就无法给出更多的证据说明这种结构的存在三所以,对于很多科学家来说,富勒烯仍是一个不切实际的幻想,许多质疑 足球分子”存在的文章也纷纷出炉三到了1989年,C 60的研究跌到了最低谷,全世界范围内相关研究文章数目仅有24篇三 直至1990年,Huffman 和Kratschmer [4]在实验室合成了大量C 60和13C 60材料,并测定了C 60分子的确切结构三同年,Kroto [5]利用C 70的核磁共振谱线证实了富勒烯的封闭球形结构以及不同稳定性的富勒烯的存在三此后,世界范围内相关研究文章和专利数目呈现爆炸式增长三1991年,C 60被美国‘科学“杂志评为年度分子(the molecule of the year),Kroto,Smalley 和Curl 也因发现富勒烯而于1996年获诺贝尔化学奖,但此前发现吸收光谱类似于星际物质的微小碳粒的Huffman 和Kratschmer 却未能获此殊荣三 富勒烯是一系列由纯碳组成的原子簇的总称三它们是由非平面的五元环二六元环等构成的封闭式空心球形或椭球形结构的共轭烯烃三其中,C 60的分子结构为球形32面体,是由60个碳原子以20个六元环和12个五元环连接而成的具有30个碳碳双键的球状空心对称分子三与石墨相似,C 60中每个碳原子与周围3个碳原子形成3个σ键三C 原子采取sp 2.28杂化,用3个杂化轨道形成σ键,每个C 原子剩下的一个轨道与球面成101.6°,形成离域π键,故具有芳香性三
1.2 碳纳米管 人们普遍认为碳纳米管是由日本筑波NEC 实验室的物理学家饭岛澄男(Sumio Iijima)于1991年发现的三其实,早在1952年,前苏联科学家Radushkevich 和Lukyanovich [6]就发现了直径50nm 的单壁碳纳米管的结构,只是没有得到应有关注三1976年,Oberlin,Endo 和Koyama [7]用化学气相生长技术得到纳米碳纤维三1987年,Howard G.Tennent 甚至申请了纳米碳管的专利三然而只有饭岛澄男细致地研究了富勒烯产品里的 垃圾”并发表了有关碳管的形貌二尺寸和形成机理等的文章三饭岛澄男的文章发表后迅即引起世人的关注,开启了碳纳米管研究的热潮,饭岛澄男本人也摘得了碳纳米管发现者的桂冠三当饭岛澄男回答质疑他是否是碳纳米管发现者的问题时,他只说了一句:发表一张图片并不是科学三9
4 第1期陈萌等:新型碳纳米结构的发现与启示
其实,饭岛澄男的研究初衷并不在于碳纳米管,此前,他一直致力于高分辨率电子显微技术的研究三高温超导领域的重大突破使饭岛澄男成为众多高温超导材料研究者中的一员,他希望能利用世界先进的电子显微技术发现超导材料的超导机制三他尝试了元素周期表中所有的金属和半导体元素,但却一无所获三此时,富勒烯结构及其存在打破了人们长期以来对碳单质的习惯性认知,而且,这种新型碳单质展现出良好的超导性质三饭岛澄男此时才发现,自己之前尝试的众多元素里并没有C三那么这种最为常见的元素单质是不是最终的答案呢?他重新燃起了对高温超导材料的热情,投入到富勒烯研究中三实际上,此前已有众多科学家尝试了大量合成方法,然而产品纯度并不高,得到的富勒烯产物中总是混有大量 杂质”三对于这些富勒烯的粗产品,其他科学家大多只是进行了除杂提纯三然而,饭岛澄男却对这些副产品产生了兴趣,还用电镜进行了观察三出乎意料的是,这些副产品中含有大量不同尺寸的管状结构,其形貌与富勒烯相去甚远三随后,饭岛澄男把相关研究结果发表在Nature 上[8],由此,碳纳米管正式走入人们的视野,并以其良好的物理学和化学性能吸引了多领域专家的极大关注,掀起了另一种碳纳米结构的研究热潮(图
2)三
图2摇扶手椅型和锯齿状碳纳米管以及弯曲部位碳环示意图
碳纳米管是一种径向尺寸较小的管状碳分子,其中单壁碳纳米管的直径通常仅有1~2nm,而其长度一般在微米量级,长径比大,是典型的一维纳米材料三管上的每个碳原子采取sp 2杂化,与周围3个碳原子之间以碳?碳σ键相结合,形成由六边形的蜂窝状结构作为碳纳米管的骨架三每个碳原子上未参与杂化的一对p 电子共同形成跨越整个碳纳米管的共轭π电子云三碳纳米管的弯曲部位由五边形和七边形的碳环组成三当六边形逐渐延伸出现五边形时,碳纳米管就会凸出;而七边形出现则会使其凹进三如果五边形出现在碳纳米管的顶端则成为碳纳米管的封口(图2)[9]三
1.3 石墨烯
2004年,石墨烯(一种仅有一层碳原子厚度的新型碳材料)在英国曼彻斯特大学的物理实验室诞生,并迅速轰动了科学界三为此,曼彻斯特大学的Andre K.Geim 和Konstantin Novoselov [10]获得2010年诺贝尔物理学奖三 石墨烯是迄今已知的最薄最硬二导电性能最好的材料三这种神奇物质的结构非常简单,相当于单层石墨,即碳原子的二维平面排布(图3)三早在1918年,V.Kohlschütter 和P.Haenni 就提出了单层原子05大学化学第29卷
模型,并详细地描述了石墨氧化物纸(graphite oxide paper)的性质,20世纪40年代,P.R.Wallace 在理论上预测了石墨烯结构的导电性能三但是,在Geim 和Novoselov 成功制得石墨烯之前,它一直被认为是不可能完成的任务三1934年,Peierls 指出准二维晶体热力学不稳定,不能在非绝对零度下存在三1966年,Mermin 和Wagner 提出Mermin?Wagner 理论,指出长的波长起伏也会使长程有序的二维晶体受到破坏三因此碳原子平面结构一直都仅仅是一个理想模型,无法大量制备三而Geim 等人却利用了简单的机械剥离法制备出单层石墨烯:先用透明胶带在铅笔的铅芯表面粘贴二揭下石墨薄片,然后将胶带对折粘贴,再次撕开,使石墨薄片变薄,如此重复数十次,直到分离出单层或数层石墨烯为止
三
图3摇石墨烯结构
Geim 认为,在发展成熟的领域很难有新的突破;而开辟一个新的领域反而更容易得到有价值的结果三Geim 曾对碳纳米管研究产生浓厚兴趣,但他认为自己入门较晚,从事碳管研究难以达到先进水平,必须转换视角,寻求一个全新的方向三与此同时,他发现人们对石墨这种极为常见的物质关注不多,知之甚少,如果尝试去研究超薄石墨层的电子结构,或许能有所收获三 最初,Geim 尝试使用打磨的方法得到石墨薄片,但是打磨到极限也只能得到10层原子厚度的产品三后来,他们无意中发现,研究组的技术员在搭建低温扫描隧道显微镜时,用透明胶带粘掉石墨表层来清洁样品三于是,他们另辟蹊径,利用简单的透明胶带分离石墨法得到了单层石墨烯材料三此前,许多科学家尝试过极为复杂的分离方法,却都未能制备出石墨烯薄膜三他们怎么也没想到,一卷透明胶带和一支铅笔,竟然创造了奇迹三石墨是若干碳原子平面平行堆叠而成,在同一平面内,相邻碳原子之间依靠共价键结合,十分牢固;而相邻平面之间依靠相对较弱的范德华力维系,很容易产生相对滑动,胶带粘结的力量就足以剥离不同石墨层,而石墨层内碳原子之间的共价键却不会受损三至此, 准二维晶体热力学不稳定”的说法也就不攻自破了[11]三2 启示与思考
3种碳纳米结构的发现历程蕴含着丰富的科学精神和探索方法,给科学工作者以宝贵的经验和启
示三2.1 给偶然以机会 在科学史上,许多重大发现最初并非理性产物三C 60分子就是Kroto 等人在研究星际尘埃并成功合
15 第1期陈萌等:新型碳纳米结构的发现与启示
25大学化学第29卷 成氰基聚炔链状分子时意外发现的三其实,在此之前,已经有两个分子团簇研究小组观察到了C60的尖峰,但却没有进一步推断其分子结构,与唾手可得的伟大发现擦肩而过三Kroto等人没有单纯地将其解释为杂质,而是进行深入研究和探索,并作出大胆假设,完成了人类对碳单质认知的新突破三
碳纳米管的发现更充满戏剧性三饭岛澄男在富勒烯发现之后,曾致力于其高温超导的研究三当时,众多科学家致力于制备高纯度富勒烯,但得到的产物总是混有大量副产品,饭岛澄男恰恰对这些副产品产生了兴趣三为什么富勒烯的收率总是不尽如人意呢?为什么副产品一次又一次出现?所有人都习惯了提纯和除杂,而饭岛却能够对人们熟视无睹的现象进行反思三当他把 杂质”拿到电镜下观察,竟然发现大量碳管,可谓 踏破铁鞋无觅处,得来全不费工夫”三确实, 完美分子”富勒烯的魅力当然远大于试管上黑乎乎的杂质,而饭岛澄男的可贵之处就在于他对未知事物有强烈的求知欲三
10多年之后,Geim也做出了令人拍案叫绝的工作三石墨烯的发现堪称一卷透明胶带创造的奇迹,他们的灵感来源只是Geim无意间看到实验室技术员用透明胶带粘掉石墨表层来清洁样品三在Geim 研究制备石墨烯的同时,哥伦比亚大学的Philip Kim教授也在尝试用原子力显微镜针尖在扫过石墨顶端时刮下几片石墨烯,然而他们的尝试并没有成功三最终,透明胶带完胜原子力显微镜三
机遇无处不在,然而只有善于寻找和发现的眼睛才能看到机遇三在科学研究过程中,机遇为科学研究提供了宝贵的线索,推动了科技革命的进程三3种新型碳纳米材料的发现者都具备敏锐的观察力二丰富的想象力二坚韧的意志,能够及时发现和捕捉机遇三机遇是属于有准备的人的,正如贝弗里奇的‘科学研究的艺术“一书[12]中所说, 有时,机遇带给我们线索的重要性十分明显,但有时只是微不足道的小事,只有很有造诣的人,其思想满载着有关论据并已发展成熟适于作出发现,才能看到这些小事的意义所在三”
2.2 科学探索是追求美的过程
人们在发现自然的和谐之美时,总会赞叹造物者的精妙三形似足球的外形图案,60个顶点的完美结构,富勒烯因其高度对称之美被誉为最完美的分子;碳纳米管作为一维纳米材料,长径比大,六边形结构连接完美,管身呈现圆管结构,轴向对称,具有高度均一性三在诸多科学领域, 对称”是一种最为基础的美学要素三很多化学分子有高度对称的结构,譬如苯环二冠醚二富勒烯等;而物理学领域中的守恒定律则反映了事物进程或物理规律的对称性三古希腊的毕达哥拉斯学派提出了和谐之美的概念, 一切立体图形最美的是球体,一切平面图形中最美的是圆形”三凯库勒得益于其早年对建筑学的研究,才建立了优美的正六边形对称的苯分子模型三而富勒烯的发现,也是源于薄壳拱顶建筑的高度对称设计;建筑的美学二团簇分子的结构二星际物质二足球的形状,在此奇妙地融为一体三
物理之美,其最典型二最深刻之处,恰恰在于简洁三石墨烯的发现使得原子层面上的研究变得更加简单三仅有单原子层厚度的蜂窝型二维石墨烯是世界上已知的最薄二最坚硬的材料,由单层碳原子正六边形平铺而成三在石墨烯发现之前,原子层级的操控往往需要昂贵仪器和繁琐操作,而石墨烯制备简便二性质稳定,迄今为止,仍未发现石墨烯中有碳原子缺失的情况,大大简化了相关研究三而Geim等人的胶带剥离法更是将 简洁”二字发挥到了极致,不需要任何昂贵仪器和分离试剂,即可获得有价值的产品三
科学史学家J.W.N.Sullivan的一句话很好地概括了科学之美的奥义: 引导科学家的动力,归根结底是美学冲动的表示三”
2.3 怀疑精神和创新意识是科学创造的基石
科学的怀疑精神就是要敢于挑战常识和权威三富勒烯发现之前,人们对碳单质的研究早已失去兴趣,谁也没有预料到,除了石墨和金刚石之外,竟然还存在其他的碳单质三而碳纳米管更是被许多科学家当作杂质除掉三没有挑战常识的勇气,科学是不可能发展的三其实,现代科学的诞生正是发扬怀疑精
神的结果:科学的先驱们选择相信真理,率先质疑了神创论,推翻了时人赖以生存的心理支柱,才使得科学文明开始蓬勃发展三当然,仅仅具有怀疑精神是不够的,科学的怀疑精神必须建立在反复求证的基础上,即对各种主张用严密的逻辑进行分析,用大量的实验进行求证,全面二真实地反映客观存在规律三科学的先驱者之所以伟大,并不仅仅因为他们富于创新精神,不畏权威,不被常识所束缚,更是因为他们信奉真理,追求理性和实证三 在科学发展的进程中,好奇心往往是许多重大发现的根源三科学既然着重于对未知事物的探求,那么一味模仿前人是不可取的;一个富于创新精神的科学家,就是能够站在全新的视角去看旧问题三Geim 并不是尝试制备石墨烯的第一人,在他之前,无数科学家做了大量工作,始终未能成功,继而认定制备石墨烯是不可能完成的任务三而Geim 从前人的无数失败中,看到了传统方法的局限性,这才有了胶带剥离法的奇妙创意三一个重大研究成果的发现,有时不一定如人们设想的那样艰难三当我们在一条路上历尽千辛万苦仍一无所获时,不妨回到原点,另辟蹊径,成功或许并不遥远三 当然,科学研究的道路绝非一片通途,错误和曲折在所难免三我们在感叹前人思维的巧妙和简洁的同时,必须意识到在那一闪念的灵感之前,要历经无数失败,苦心钻研,殚精竭虑,才能捕捉到那偶然的火花三
2.4 合作是科学研究的前提 正如英国实验物理学家查德威克(James Chadwick)所说,先进的科学知识通常是很多人的劳动成果三个体的认知能力是有限的,在现代科学的探索过程中,不同学科二不同专长二不同来历的科学家往往能够更为全面地发现问题的关键三Kroto 在研究星际物质中富含碳的尘埃时,对氰基聚炔链状分子产生了浓厚兴趣,但没有相应的仪器设备三后来,Kroto 赴美结识了莱斯大学研究原子簇化学的Smalley 教授,利用他们自行设计的激光超团簇发生器,才得到了一系列关键数据三Konstantin Novoselov 博士是Geim 教授的博士生及长期合作者,两人通力合作完成单层石墨烯的制备和研究并共享诺贝尔奖三不同领域二不同背景的科学家之间的相互合作,不同思维方式的相互融合,促成了一个又一个重大科学发现三 总之,富勒烯二碳纳米管二石墨烯这3种新型碳纳米结构的陆续发现以及对其奇特物化性质的研究,打开了碳纳米科学的大门,触发了一个接一个的研究热点,引领着人们从自然科学的必然王国向自由王国跃进三
参 考 文 献
[1] Jones D E H.New Sci ,1966,32(245):1[2] Baggott J E.Perfect Symmetry:the Accidental Discovery of Buckminsterfullerene.New York:Oxford University Press,1994[3] Kroto H W,Heath J R,O′brien S C,et al.Nature ,1985,318(6042):162[4] Kratschmer W,Fostiropoulos K,Huffman D R.Chem Phys Lett ,1990,170(2?3):167
[5] Taylor R,Hare J P,Abdulsada A K,et al.J Chem Soc ,Chem Commun ,1990(20):1423[6] Radushkevich L V,Lukyanovich V M.Z Fis Chim ,1952,26:88
[7] Oberlin A,Endo M,Koyama T.J Cryst Growth ,1976,32(3):335
[8] Iijima S.Nat Nanotechnol ,2007,2(10):590[9] Lau K T,Hui https://www.360docs.net/doc/4318992250.html,posites Part B ,2002,33(4):263
[10] Novoselov K S,Geim A K,Morozov S V,et al.Science ,2004,306(5696):666
[11] Geim A K.Rev Mod Phys ,2011,83(3):851[12] Beveridge W I B.The Art of Scientific Investigation.New York:Vintage Books,195035 第1期陈萌等:新型碳纳米结构的发现与启示
碳纳米材料在电化学传感器中的应用
碳纳米材料在电化学传感器中的应用研究 摘要由于碳纳米材料具有良好的力学、电学及化学性能而被人们广泛研究，特别是对于具有大比表面积、高的电导率和良好生物相容性的碳纳米管、碳纳米纤维和石墨烯更是研究的热点。这些新型碳材料具有许多优异的物理和化学特性，被广泛地应用于诸多领域，特别是在电化学领域中显示出其独特的优势。本文主要阐述了碳纳米材料在电化学传感器领域的应用。 关键词碳纳米管石墨烯电化学传感器 1电化学传感器概述 电化学传感器主要由两部分组成：识别系统；传导或转换系统。 识别系统与待测物的某一化学参数（常常是浓度）与传导系统连结起来。它主要具有两种功能：选择性地与待测物发生作用，反所测得的化学参数转化成传导系统可以产生响应的信号。分子识别系统是决定整个化学传感器的关键因素。因此，电化学传感器研究的主要问题就是分子识别系统的选择以及如何反分子识别系统与合适的传导系统相连续。电化学传感器的传导系统接受识别系统响应信号，并通过电极、光纤或质量敏感元件将响应信号以电压、电流或光强度等的变化形式，传送到电子系统进行放大或进行转换输出，最终使识别系统的响应信号转变为人们所能用作分析的信号，检测出样品中待测物的量。 最早的电化学传感器可以追溯到 20 世纪 50 年代，当时用于氧气监测。到了 20 世纪80 年代中期，小型电化学传感器开始用于检测 PEL 范围内的多种不同有毒气体，并显示出了良好的敏感性与选择性。目前，为保护人身安全起见，各种电化学传感器广泛应用于许多静态与移动应用场合。 2 碳纳米材料——碳纳米管和石墨烯 随着科学技术的进步,研究者发现空间尺寸在0.1-100 nm之间的物质拥有很多宏观状态下没有的特性[1]。我们把这些具有一定功能性、三维空间尺寸至少有一维介于0.1-100 nm 之间的一类物体统称为纳米材料。它是由纳米微粒、原子团簇、纳米丝、纳米管、纳米薄膜或由纳米粒子组成的块体。由于具有颗粒尺寸小、比表面积大、表面能高、表面原子所占比例大等特点,以及其特有的量子尺寸效应[2, 3]、体积效应[4]、表面效应[5]和量子隧道效应[6]等特性,纳米材料在光学、热学、催化、光化学以及敏感特性等方面具有一系列特殊的性质,因此它具备其它一般材料所没有的优越性能,可广泛应用于电子、医药、化工、生物、军事、航空航天等众多领域,在整个新材料的研究应用方面占据着核心的位置。 碳是一种非金属元素,位于元素周期表的第二周期IV A族。作为地球上最容易得到的元素之一,碳元素以多种形式广泛存在于大气和地壳之中。碳单质很早就被人认识和利用,它在常温下的化学性质比较稳定,不溶于水、稀酸、稀碱和有机溶剂。利用现代科技的不同制备方法,我们可以制备出不同独特空间结构和特异性能的碳纳米材料,其中包括零维的富勒烯、一维的碳纳米管、二维的石墨烯和三维的石墨或金刚石。依靠独特的空间结构和优异的化学性能,它们可以应用于各个领域中。接下来我们主要介绍一下碳纳米管和石墨烯。 2.1碳纳米管 CNTs是1991 年日本电镜学家Iijima在高分辨透射电子显微镜下检验石墨电弧中产生
碳纳米材料综述
碳纳米材料综述 课程: 纳米材料 日期：2015 年1２月
碳纳米材料综述 摘要:纳米材料是一种处于纳米量级的新一代材料，具有多种奇异的特性，展现特异的光、电、磁、热、力学、机械等物理化学性能,这使得纳米技术迅速地渗透到各个研究领域,引起了国内外众多的物理学家、化学家和材料学家的广泛关注,也成为当前世界最热门的科学研究热点。物理学家对纳米材料感兴趣是因为它具有独特的电磁性质，化学家是因为它的化学活性以及潜在的应用价值，材料学家所感兴趣的是它的硬度、强度和弹性。毫无疑问,基于纳米材料的纳米科技必将对当今世界的经济发展和社会进步产生重要的影响。因此,对纳米材料的科学研究具有非常重要的意义。其中,碳纳米材料是最热的科学研究材料之一。 我们知道,碳元素是自然界中存在的最重要的元素之一，具有ｓp、sp2、sp3等多种轨道杂化特性。因此,以碳为基础的纳米材料是多种多样的，包括常见的石墨和金刚石，还包括近几年比较热门的碳纳米管、碳纳米线、富勒烯和石墨烯等新型碳纳米材料。 关键词:纳米材料碳纳米材料碳纳米管富勒烯石墨烯 １.前言 从人类认识世界的精度来看，人类的文明发展进程可以划分为模糊时代（工业革命之前)、毫米时代(工业革命到２0世纪初）、微米和纳米时代（20世纪40年代开始至今)。自20世纪80年代初，德国科学家Ｇｌeｉter提出“纳米晶体材料’，的概念，随后采用人工制备首次获得纳米晶体,并对其各种物性进行系统的研究以来,纳米材料己引起世界各国科技界及产业界的广泛关注。纳米材料是指特征尺寸在纳米数量级(通常指1—１00 nm)的极细颗粒组成的固体材料。从广义上讲,纳米材料是指三维空间尺寸中至少有一维处于纳米量级的材料。通常分为零维材料(纳米微粒),一维材料(直径为纳米量级的纤维),二维材料(厚度为纳米量级的薄膜与多层膜)，以及基于上述低维材料所构成的固体。从狭义上讲，则主要包括纳米微粒及由它构成的纳米固体(体材料与微粒膜)。纳米材料的研究是人类认识客观世界的新层次，是交叉学科跨世纪的战略科技领域[1］。 碳纳米材料主要包括富勒烯、碳纳米管和石墨烯等,是纳米科学技术中不可或缺的材料,从１98５年富勒烯(Fullereｎe）的出现到1991年碳纳米管(ｃaｒｂon ｎanotubｅ,CNＴs)的发现，碳纳米材料所具有的独特物理和化学性质引起了国内外研究人员广泛而深入的研究，二十年来取得了很多的成果。２004 年Ｇeｉm研究组的报道使得石墨烯（Ｇｒaｐhene)成为碳纳米材料新一轮的研究热点，其出现充实了碳纳米材料家族,石墨烯具有由碳原子组成的单层蜂巢状二维结构,由于它只有一个原子的厚度，可以将其视为形成其它各种维度的石墨相关结构碳材料的基本建筑块,石墨烯既可翘曲形成零维的富勒烯及卷曲形成一维的碳纳米管，亦可面对面堆积形成石墨,由于石墨烯具有优异的电学、导热和机械性能及较大的比表面积，因而在储氢材料、超级电容器、高效催化剂及纳米生物传感等方面有着广泛的应用[２]。 2．常见的碳纳米材料
碳纳米管的特性及应用_孙晓刚
作者介绍:孙晓刚(1957-),男,吉林人,江西金世纪冶金(集团)股份有限公司高级工程师,长期从事碳纳米管制备工 艺的研究,并对碳纳米管的工业化生产进行了广泛深入的研究和商业策划工作。 收稿日期:2001-02-21 修回日期:2001-05-08 碳纳米管的特性及应用 孙晓刚1,曾效舒2,程国安2 (1.江西金世纪冶金(集团)股份有限公司,江西南昌 330046; 2.南昌大学,江西南昌 330029) 摘 要:介绍了巴基球及碳纳米管的发现和历史,重点介绍 了碳纳米管的基本性能和晶体结构,描述了碳纳米管电传导 和热传导的机理。文中还介绍了碳纳米管的主要生产方法 和各自的优点。根据全球碳纳米管应用研究的方向,对碳纳 米管的应用领域进行了探讨,展望了碳纳米管的应用前景及 商业开发价值。 关键词:碳纳米管;性能;制备;应用 中图分类号:T B383 文献标识码:A 文章编号:1008-5548(2001)06-0029-05 1 碳纳米管简介 仅仅在十几年前,人们一般认为碳的同素异形 体只有两种:石墨和金刚石。1985年,英国Sussex 大学的Kroto教授和美国Rice大学的Sm alley教授 进行合作研究,用激光轰击石墨靶以尝试用人工的 方法合成一些宇宙中的长碳链分子。在所得产物中 他们意外发现了碳原子的一种新颖的排列方式,60 个碳原子排列于一个截角二十面体的60个顶点,构 成一个与现代足球形状完全相同的中空球,这种直 径仅为0.7nm的球状分子即被称为碳60分子。此 即为碳晶体的第三种形式。 1991年,碳晶体家族的又一新成员出现了,这 就是碳纳米管。日本NEC公司基础研究实验室的 Iijima教授在给《Nature》杂志的信中宣布合成了一 种新的碳结构。它由一些柱形的碳管同轴套构而 成,直径大约在1～30nm之间,长度可达到1μm。 进一步的分析表明,这种管完全由碳原子构成,并可 看成是由单层石墨六角网面以其上某一方向为轴, 卷曲360°而形成的无缝中空管。相邻管子之间的 距离约为0.34nm,与石墨中碳原子层与层之间的距 离0.335nm相近,所以这种结构一般被称为碳纳米 管。这是继C60之后发现的碳的又一同素异形体, 是碳团簇领域的又一重大科研成果。 碳纳米管由层状结构的石墨片卷曲而成,因卷 曲的角度和直径不同,其结构各异:有左螺旋的、右 螺旋的和不螺旋的。由单层石墨片卷成的称为单壁 碳纳米管,多层石墨片卷成的称为多壁碳纳米管。 碳纳米管的径向尺寸较小,管的外径一般在几纳米 到几十纳米;管的内径更小,有的只有1nm左右。 而碳纳米管的长度一般在微米量级,长度和直径比 非常大,可达103～106,因此,碳纳米管被认为是一 种典型的一维纳米材料。 碳纳米管、碳纳米纤维材料一直是近年来国际 科学的前沿领域之一。仅就碳纳米管而言,自从 1991年被人类发现以来,就一直被誉为未来的材 料。 2 基本性能 碳纳米管的性质与其结构密切相关。就其导电 性而言,碳纳米管可以是金属性的,也可以是半导体 性的,甚至在同一根碳纳米管上的不同部位,由于结 构的变化,也可以呈现出不同的导电性。此外,电子 在碳纳米管的径向运动受到限制,表现出典型的量 子限域效应;而电子在轴向的运动不受任何限制。 无缺陷金属性碳纳米管被认为是弹道式导体,其导 电性能仅次于超导体。根据经典电阻理论和欧姆定第7卷第6期 2001年12月 中 国 粉 体 技 术 China Powder Science and Technology Vol.7No.6 December2001
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IV A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(carb on nano tubes )，二维的石墨烯(graphe ne)，三维的金冈寸石(diam ond) 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一一C6。。这一发现使得他们赢得了1996年的诺贝尔化学奖。G。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。G。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 60的一些基本物理和化学性质 碳纳米管（carbon nano tubes ）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 nano tubes ，MWNTs其直径从几百皮米到几十纳米， 而长径比可以上万。碳纳米管是前最重要的一维纳米材料之一。 虽然对碳纳米管发现的确切时间存在争议，但公认碳纳米管从1991年才引 起了科学界的广泛兴趣。1991年日本的Iijima 在研究富勒烯的制备过程中由于电弧产物中发现了多壁碳纳米管，并利用透射电镜证实了它的存在。随后在1993 年，他又发现了单壁碳纳米管，与此同时，Bethune等也独立观察到了单壁碳纳米管。 单壁碳纳米管可看成是由一层石墨烯沿一定角度卷曲而成的管状结构（图 1-1 ）。根据卷曲角度的不同，可以形成具有不同手性和直径的碳纳米管，因此常用两个整数（n,m）表征单壁碳纳米管的结构。当m=0时，该类单壁碳纳米管 被称为锯齿形（zigzag ）单壁碳纳米管；当n=m时，该类单壁碳纳米管被称为扶手椅形 （armchair ）单壁碳纳米管；其他的均被称为手性（chiral ）碳纳米管。单壁碳纳米管 的直径可以通过两个指数算出来。
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， 。这一Kroto，Smalley和Curl在美国莱斯大学发现了第一个富勒烯分子——C 60 发现使得他们赢得了1996年的诺贝尔化学奖。C 由60个原子组成，包含20个 60 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，出来。C 60 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 C 的一些基本物理和化学性质 60
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）。其直径从几百皮米到几十纳米，而长径比可以上万。碳纳米管是前最重要的一维纳米材料之一。 虽然对碳纳米管发现的确切时间存在争议，但公认碳纳米管从1991年才引起了科学界的广泛兴趣。1991年日本的Iijima在研究富勒烯的制备过程中由于电弧产物中发现了多壁碳纳米管，并利用透射电镜证实了它的存在。随后在1993年，他又发现了单壁碳纳米管，与此同时，Bethune等也独立观察到了单壁碳纳米管。 单壁碳纳米管可看成是由一层石墨烯沿一定角度卷曲而成的管状结构（图1-1）。根据卷曲角度的不同，可以形成具有不同手性和直径的碳纳米管，因此常用两个整数（n,m）表征单壁碳纳米管的结构。当m=0时，该类单壁碳纳米管被称为锯齿形（zigzag）单壁碳纳米管；当n=m时，该类单壁碳纳米管被称为扶手椅形（armchair）单壁碳纳米管；其他的均被称为手性（chiral）碳纳米管。单壁碳纳米管的直径可以通过两个指数算出来。 图1-1 单壁碳纳米管结构示意图 由于其特殊的结构，碳纳米管具有许多优良的性质。从电学性质来看，碳纳米管可分为金属型（metallic，带隙为零）和半导体型（semiconducting，带隙可达2eV）。单壁碳纳米管的一些重要性质如表1-2。
碳纳米管纳米复合材料的研究现状及问题(一)
碳纳米管纳米复合材料的研究现状及问题(一) 文章介绍了碳纳米管的结构和性能，综述了碳纳米管/聚合物复合材料的制备方法及其聚合物结构复合材料和聚合物功能复合材料中的应用研究情况，在此基础上，分析了碳纳米管在复合材料制备过程中的纯化、分散、损伤和界面等问题，并展望了今后碳纳米管/聚合物复合材料的发展趋势。 。碳纳米管的这些特性使其在复合材料领域成为理想的填料。聚合物容易加工并可制造成结构复杂的构件，采用传统的加工方法即可将聚合物/碳纳米管复合材料加工及制造成结构复杂的构件，并且在加工过程中不会破坏碳纳米管的结构，从而降低生产成本。因此，聚合物/碳纳米管复合材料被广泛地研究。 根据不同的应用目的，聚合物/碳纳米管复合材料可相应地分为结构复合材料和功能复合材料两大类。近几年，人们已经制备了各种各样的聚合物/碳纳米管复合材料，并对所制备的复合材料的力学性能、电性能、热性能、光性能等其它各种性能进行了广泛地研究，对这些研究结果分析表明：聚合物/碳纳米管复合材料的性能取决于多种因素，如碳纳米管的类型(单壁碳纳米管或多壁碳纳米管)，形态和结构(直径、长度和手性)等。文章主要对聚合物/碳纳米管复合材料的研究现状进行综述，并对其所面临的挑战进行讨论。 1聚合物/碳纳米管复合材料的制备 聚合物/碳纳米管复合材料的制备方法主要有三种：液相共混、固相共融和原位聚合方法，其中以共混法较为普遍。 1.1溶液共混复合法 溶液法是利用机械搅拌、磁力搅拌或高能超声将团聚的碳纳米管剥离开来，均匀分散在聚合物溶液中，再将多余的溶剂除去后即可获得聚合物/碳纳米管复合材料。这种方法的优点是操作简单、方便快捷，主要用来制备膜材料。Xuetal8]和Lauetal.9]采用这种方法制备了CNT/环氧树脂复合材料，并报道了复合材料的性能。除了环氧树脂，其它聚合物(如聚苯乙烯、聚乙烯醇和聚氯乙烯等)也可采用这种方法制备复合材料。 1.2熔融共混复合法 熔融共混法是通过转子施加的剪切力将碳纳米管分散在聚合物熔体中。这种方法尤其适用于制备热塑性聚合物/碳纳米管复合材料。该方法的优点主要是可以避免溶剂或表面活性剂对复合材料的污染，复合物没有发现断裂和破损，但仅适用于耐高温、不易分解的聚合物中。Jinetal.10]采用这种方法制备了PMMA/MWNT复合材料，并研究其性能。结果表明碳纳米管均匀分散在聚合物基体中，没有明显的损坏。复合材料的储能模量显著提高。 1.3原位复合法 将碳纳米管分散在聚合物单体，加入引发剂，引发单体原位聚合生成高分子，得到聚合物/碳纳米管复合材料。这种方法被认为是提高碳纳米管分散及加强其与聚合物基体相互作用的最行之有效的方法。Jiaetal.11]采用原位聚合法制备了PMMA/SWNT复合材料。结果表明碳纳米管与聚合物基体间存在强烈代写论文的黏结作用。这主要是因为AIBN在引发过程中打开碳纳米管的π键使之参与到PMMA的聚合反应中。采用经表面修饰的碳纳米管制备PMMA/碳纳米管复合材料，不但可以提高碳纳米管在聚合物基体中的分散比例，复合材料的机械力学性能也可得到巨大的提高。 2聚合物/碳纳米管复合材料的研究现状 2.1聚合物/碳纳米管结构复合材料 碳纳米管因其超乎寻常的强度和刚度而被认为是制备新一代高性能结构复合材料的理想填料。近几年，科研人员针对聚合物/碳纳米管复合材料的机械力学性能展开了多方面的研究，其中，最令人印象深刻的是随着碳纳米管的加入，复合材料的弹性模量、抗张强度及断裂韧性的提高。
碳纳米管的性质性能及其应用前景
碳纳米管的性质性能其应用前景 The Properties and Applications of Carbon Nano-Tubes 张雅坤北京师范大学化学学院201411151935 摘要：从1991年被正式认识并命名至今，碳纳米管凭借其特殊的结构及异常的力学、电学和化学性能获得了材料、物理、电子及化学界的广泛关注。近些年随着碳纳米管及纳米材料研究的深入，其广阔的应用前景也不断地展现出来。本文主要对碳纳米管目前的性质性能及其应用前景进行了系统详细的介绍【8】。 关键词：碳纳米管、无机化学、性质性能、应用前景 一、综述 1.发展历史与研究进程 在1991年日本NEC公司基础研究实验室的电子显微镜专家饭岛（Lijima）在高分辨透射电子显微镜下检验石墨电弧设备中产生的球状碳分子时，意外发现了由管状的同轴纳米管组成的碳分子，这就是现在被称作的“Carbon nanotube”，即碳纳米管，又名巴基管。 1993年，S. Lijima等和D. S. Bethune等同时报道了采用电弧法，在石墨电极中添加一定的催化剂，可以得到仅仅具有一层管壁的碳纳米管，即单壁碳纳米管产物。
1997年，A. C. Dillon等报道了单壁碳纳米管的中空管可储存和稳定氢分子，引起广泛的关注。相关的实验研究和理论计算也相继展开。据推测，单壁碳纳米管的储氢量可达10%（质量比）。此外，碳纳米管还可以用来储存甲烷等其他气体。但该猜测在后来被证实是错误的，碳纳米管无法用于储氢的主要问题有两个：一是假如作为容器进行储氢，则无法对其进行可控的封闭和开启；二是假如用于氢气吸附，则其吸附率不超过1%（质量分数）。 能否控制单壁碳纳米管的生长是近二十余年来一直困扰着碳纳米管研究领域科学家们的难题，能否找到控制方法也成为碳纳米管应用的瓶颈。2014年，这道世界性难题被北京大学李彦教授研究团队攻克，该团队在全球首次提出单壁碳纳米管生长规律的控制方法，研究成果已于2014年6月26日发表在国际权威学术期刊《自然》杂志上，这是碳纳米管研究方面的又一大突破。 2.碳纳米管的制备方法 常用的碳纳米管制备方法主要有：电弧放电法、激光烧蚀法、化学气相沉积法（碳氢气体热解法）、固相热解法、辉光放电法、气体燃烧法以及聚合反应合成法等。 2.1电弧放电法 电弧放电法是生产碳纳米管的主要方法。1991年日本物理学家饭岛澄男就是从电弧放电法生产的碳纤维中首次发现碳纳米管的。电弧放电法的具体过程是：将石墨电极臵于充满氦气或氩气的反应容器中，在两极之间激发出电弧，此时温度可以达到4000度左右。在这种条件下，石墨会蒸发，生成的产物有富勒烯（C60）、无定型碳和单壁或多壁的碳纳米管。通过控制催化剂和容器中的氢气含量，可以
碳纳米材料概述
碳纳米材料概述 名字：唐海学号：1020560120 前言 纳米碳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。 近年来，碳纳米技术的研究相当活跃，多种多样的纳米碳结晶、针状、棒状、桶状等层出不穷。2000年德国和美国科学家还制备出由20个碳原子组成的空心笼状分子。根据理论推算，包含20个碳原子仅是由正五边形构成的，C60分子是富勒烯式结构分子中最小的一种，考虑到原于间结合的角度、力度等问题，人们一直认为这类分子很不稳定，难以存在。德、美科学家制出了C60笼状分子为材料学领域解决了一个重要的研究课题。碳纳米材料中纳米碳纤维、纳米碳管等新型碳材料具有许多优异的物理和化学特性，被广泛地应用于诸多领域。 分类 (1)碳纳米管碳纳米管是由碳原子形成的石墨烯片层卷成的无缝、中空的管体，一般可分为单壁碳纳米管、多壁碳纳米管和双壁碳纳米管。 (2)碳纤维分为丙烯腈碳纤维和沥青碳纤维两种。碳纤维质轻于铝而强力高于钢，它的比重是铁的1／4，强力是铁的10倍，除了有高超的强力外，其化学性能非常稳定，耐腐蚀性高，同时耐高温和低温、耐辐射、消臭。碳纤维可以使用在各种不同的领域，由于制造成本高，大量用于航空器材、运动器械、建筑工程的结构材料。美国伊利诺伊大学发明了一种廉价碳纤维，有高强力的韧性，同时有很强劲的吸附能力、能过滤有毒的气体和有害的生物，可用于制造防毒衣、面罩、手套和防护性服装等。 (3)碳球根据尺寸大小将碳球分为：(1)富勒烯族系Cn和洋葱碳(具有封闭的石墨层结构，直径在2—20nm之间)，如C60，C70等；(2)未完全石墨化的纳米碳球，直径在50nm 一1μm之间；(3)碳微珠，直径在11μm以上。另外，根据碳球的结构形貌可分为空心碳球、实心硬碳球、多孔碳球、核壳结构碳球和胶状碳球等。 碳纳米材料的性质及相关应用 1.力学 (1)超强纤维碳纳米管具有弹性高、密度低、绝热性好、强度高、隐身性优越、红外吸收性好、疏水性强等优点，它可以与普通纤维混纺来制成防弹保暖隐身的军用装备。 (2)材料增强体用于增强金属、陶瓷和有机材料等。并且结合碳纳米管的导热导电特性，能够制备自愈合材料。
碳纳米管纳米复合材料的分析现状及问题
碳纳米管纳米复合材料的分析现状及问题 [摘要]文章介绍了碳纳米管的结构和性能，综述了碳纳米管/聚合物复合材料的制备方法及其聚合物结构复合材料和聚合物功能复合材料中的应用研究情况，在此基础上，分析了碳纳米管在复合材料制备过程中的纯化、分散、损伤和界面等问题，并展望了今后碳纳米管/聚合物复合材料的发展趋势。 [关键词]碳纳米管；复合材料；结构；性能 自从1991 年日本筑波NEC 实验室的物理学家饭岛澄男(Sumio Iijima)[1]首次报道了碳纳米管以来，其独特的原子结构与性能引起了科学工作者的极大兴趣。按石墨层数的不同碳纳米管可以分为单壁碳纳米管(SWNTs) 和多壁碳纳米管(MWNTs)。碳纳米管具有极高的比表面积、力学性能(碳纳米管理论上的轴向弹性模量与抗张强度分别为1~2 TPa 和200Gpa)、卓越的热性能与电性能(碳纳米管在真空下的耐热温度可达2800 ℃，导热率是金刚石的 2 倍，电子载流容量是铜导线的1000 倍)[2-7]。碳纳米管的这些特性使其在复合材料领域成为理想的填料。聚合物容易加工并可制造成结构复杂的构件，采用传统的加工方法即可将聚合物/碳纳米管复合材料加工及制造成结构复杂的构件，并且在加工过程中不会破坏碳纳米管的结构，从而降低生产成本。因此，聚合物/碳纳米管复合材料被广泛地研究。 根据不同的应用目的，聚合物/碳纳米管复合材料可相应地分为结构复合材料和功能复合材料两大类。近几年，人们已经制备了各种各样的聚合物/碳纳米管复合材料，并对所制备的复合材料的力学性能、电性能、热性能、光性能等其它各种性能进行了广泛地研究，对这些研究结果分析表明：聚合物/碳纳米管复合材料的性能取决于多种因素，如碳纳米管的类型(单壁碳纳米管或多壁碳纳米管)，形态和结构(直径、长度和手性)等。文章主要对聚合物/碳纳米管复合材料的研究现状进行综述，并对其所面临的挑战进行讨论。 1 聚合物/碳纳米管复合材料的制备 聚合物/碳纳米管复合材料的制备方法主要有三种：液相共混、固相共融和原位聚合方法，其中以共混法较为普遍。
碳纳米材料综述
碳纳米材料综述 课程：纳米材料 日期：2015年12月
碳纳米材料综述 摘要：纳米材料是一种处于纳米量级的新一代材料，具有多种奇异的特性，展现特异的光、电、磁、热、力学、机械等物理化学性能，这使得纳米技术迅速地渗透到各个研究领域，引起了国内外众多的物理学家、化学家和材料学家的广泛关注，也成为当前世界最热门的科学研究热点。物理学家对纳米材料感兴趣是因为它具有独特的电磁性质，化学家是因为它的化学活性以及潜在的应用价值，材料学家所感兴趣的是它的硬度、强度和弹性。毫无疑问，基于纳米材料的纳米科技必将对当今世界的经济发展和社会进步产生重要的影响。因此，对纳米材料的科学研究具有非常重要的意义。其中，碳纳米材料是最热的科学研究材料之一。 我们知道，碳元素是自然界中存在的最重要的元素之一，具有sp、sp2、sp3等多种轨道杂化特性。因此，以碳为基础的纳米材料是多种多样的，包括常见的石墨和金刚石，还包括近几年比较热门的碳纳米管、碳纳米线、富勒烯和石墨烯等新型碳纳米材料。 关键词：纳米材料碳纳米材料碳纳米管富勒烯石墨烯 1．前言 从人类认识世界的精度来看，人类的文明发展进程可以划分为模糊时代（工业革命之前）、毫米时代（工业革命到20世纪初）、微米和纳米时代（20世纪40年代开始至今）。自20世纪80年代初，德国科学家Gleiter提出“纳米晶体材料’，的概念，随后采用人工制备首次获得纳米晶体，并对其各种物性进行系统的研究以来，纳米材料己引起世界各国科技界及产业界的广泛关注。纳米材料是指特征尺寸在纳米数量级（通常指1—100nm）的极细颗粒组成的固体材料。从广义上讲，纳米材料是指三维空间尺寸中至少有一维处于纳米量级的材料。通常分为零维材料（纳米微粒），一维材料（直径为纳米量级的纤维），二维材料（厚度为纳米量级的薄膜与多层膜），以及基于上述低维材料所构成的固体。从狭义上讲，则主要包括纳米微粒及由它构成的纳米固体（体材料与微粒膜）。纳米材料的研究是人类认识客观世界的新层次，是交叉学科跨世纪的战略科技领域[1]。 碳纳米材料主要包括富勒烯、碳纳米管和石墨烯等，是纳米科学技术中不可或缺的材料，从1985年富勒烯(Fullerene) 的出现到1991年碳纳米管(carbon nanotube，CNTs) 的发现，碳纳米材料所具有的独特物理和化学性质引起了国内外研究人员广泛而深入的研究，二十年来取得了很多的成果。2004 年Geim 研究组的报道使得石墨烯( Graphene)成为碳纳米材料新一轮的研究热点，其出现充实了碳纳米材料家族，石墨烯具有由碳原子组成的单层蜂巢状二维结构，由于它只有一个原子的厚度，可以将其视为形成其它各种维度的石墨相关结构碳材料的基本建筑块，石墨烯既可翘曲形成零维的富勒烯及卷曲形成一维的碳纳米管，亦可面对面堆积形成石墨，由于石墨烯具有优异的电学、导热和机械性能及较大的比表面积，因而在储氢材料、超级电容器、高效催化剂及纳米生物传感等方面有着广泛的应用[2]。 2．常见的碳纳米材料
碳纳米复合材料
碳纳米管及其复合材料 2007-4-3 14:18:08 【文章字体：大中小］打印收藏关闭 纳米技术是21世纪的前沿科学技术，碳纳米管技术则是该领域中一个强有力的生长点。碳纳米管问世十三年来，日益引起了人们极大的兴趣，其独特的性能正在被认识并加以利用，如何降低成本，大量生产有特定结构的碳纳米管依然是人们的努力方向，含碳纳米管的聚合物复合材料蕴含着巨大的发展潜力。 高聚物/碳纳米管复合材料 碳纳米管于1991年由s.iijima 发现，其直径比碳纤维小数千倍，其性能远优于现今普遍使用的玻璃纤维。其主要用途之一是作为聚合物复合材料的增强材料。 碳纳米管基本上可分为单壁型和多壁型两类。虽然他们乍看起来非常相似，但其制作方法和性能不尽相同。纳米管的结构决定它们是具有金属性还是具有半导体性质。大约三分之二的单壁纳米管属于半导体型，三分之一属金属型。至于多壁纳米管，由于各层壳的性能的叠加，难以做出明显区别，但大体上是金属型。单壁型碳纳米管外径一般为1到2nm多壁型纳米管直 径则在8到12nm之间，它的典型长度一般为10微米，最长可达100微米, 长径比至少可达1000: 1。 美国国内纳米管的生产商有Hyperion Catalysis （产品是多壁纤维纳米管）和新登陆的Zyvex Corp （产品有单壁和多壁纳米管）。这两家厂商提供的母料中都含有15%到20%的纳米管。 碳纳米管的力学性能相当突出。现已测出多壁纳米管的平均弹性模量为 1.8TPa。碳纳米管的拉伸强度实验值约为200GPa是钢的100倍，碳纤维的20倍。碳纳米管弯曲强度为14.2GPa,尽管碳纳米管的拉伸强度如此之高，但它们的脆性不象碳纤维那样高。碳纤维在约1^变形时就会断裂，而碳纳米管要到约18%变形时才会断裂。碳纳米管的层间剪切强度高达500MPa比传 统碳纤维增强环氧树脂复合材料高一个数量级。 在电性能方面，碳纳米管用作聚合物的填料具有独特的优势。加入少量碳纳米管即可大幅度提高材料的导电性。与以往为提高导电性而向树脂中加 入的碳黑相比，碳纳米管有高的长径比，因此，其体积含量可比球状碳黑减少很多。多壁碳纳米管的平均长径比约为1000；同时，由于纳米管的本身长度极短而且柔曲性好，它们填入聚合物基体时不会断裂，因而能保持其高长径比。爱尔兰都柏林trinity 学院进行的研究表明，在塑料中含2%-3%勺多壁碳纳米管使电导率提高了14个数量级，从10-12s/m提高到了102s/m。
碳纳米管的性质与应用
碳纳米管的性质与应用 【摘要】 本文主要介绍了碳纳米管的结构特点，制备方法，特殊性质，由于碳纳米管独特性质而产生的广泛应用，并对其前景进行展望。 【关键词】 碳纳米管场发射复合材料优良性能 【前言】 自日本NEC科学家Lijima发现碳纳米管以来，碳纳米管研究一直是国际新材料领域研究的热点。由于碳纳米管具有特殊的导电性能、力学性质及物理化学性质等，故其在许多领域具有其广阔的应用前景，自问世以来即引起广泛关注。目前，国内外有许多科学家对碳纳米管进行研究，科研成果颇丰，尤其是碳纳米管在复合材料、储氢及催化等领域的应用。 【正文】 一、碳纳米管的结构 碳纳米管中碳原子以sp2杂化为主，同时六角型网格结构存在一定程度的弯曲，形成空间拓扑结构，其中可形成一定的sp3杂化键，即形成的化学键同时具有sp2和sp3混合杂化状态，而这些p 轨道彼此交叠在碳纳米管石墨烯片层外形成高度离域化的大π 键，碳纳米管外表面的大π 键是碳纳米管与一些具有共轭性能的大分子以非共价键复合的化学基础[1]。 对多壁碳纳米管的光电子能谱研究结果表明，不论单壁碳纳米管还是多壁碳纳米管，其表面都结合有一定的官能基团，而且不同制备方法获得的碳纳米管由于制备方法各异，后处理过程不同而具有不同的表面结构。一般来讲，单壁碳纳米管具有较高的化学惰性，其表面要纯净一些，而多壁碳纳米管表面要活泼得多，结合有大量的表面基团，如羧基等。以变角X 光电子能谱对碳纳米管的表面检测结果表明，单壁碳纳米管表面具有化学惰性，化学结构比较简单，而且随着碳纳米管管壁层数的增加，缺陷和化学反应性增强，表面化学结构趋向复杂化。内层碳原子的化学结构比较单一，外层碳原子的化学组成比较复杂，而且外层碳原子上往往沉积有大量的无定形碳。由于具有物理结构和化学结构的不均匀性，碳
有关碳纳米管复合材料的探讨(doc 9页)
有关碳纳米管复合材料的探讨(doc 9页)
有关碳纳米管复合材料的研究 摘要：自从上个世纪末纳米技术的出现，纳米材料的独特性能引起人们的广泛关注。把纳米材料与高分子材料复合，制备高性能和功能化的复合材料成为高分子材料领域的热点之一。作为纳米材料领域之一的碳纳米管（CNTs）具有独特的物理性能，是一种具有纳米直径的管状碳纤维，它具有超强的韧性和强度以及优异的导电性能。通过不同的复合方法可制备出增强、导电和电磁屏蔽的优异性能的材料，具有广泛的应用前景。 本论文通过不同的方法制备了不同高分子基碳纳米管复合材料，研究了CNTs在基体中分散状况和复合材料的力学、热学和导电性能，并探讨了CNTs对复合材料的结构和性能的影响。 关键词：纳米材料碳纳米管复合材料 前言：由于高分子材料来源丰富、制造方便、加工容易、节省能源和投资、效益显著、品种繁多、用途广泛，因而在材料领域占有的比重越来越大。但是随着科学技术的发展以及人们生活水平的提高，对高分子材料不断提出各种各样的新要求，使高分子材料科学的发展呈现出高性能化、功能化、复合化、精细化和智能化的趋势。而纳米技术的出现则为材料科学的发展带来革命性的变化，为高性能、功能化的材料开创了新的领域。因而世界上许多国家把纳米材料的开发放在了特别重要的位置，并形成一股纳米复合材料的热潮[1]。 纳米材料是指平均粒径在纳米级（1-100nm）范围内的固体材料的总称。而作为其中重要的一个部分则是聚合物/无机纳米粒子复合材料，一般是指以有机高分子聚合物为连续相与纳米粒子进行复合而得到的复合材料。这种材料能够充分的结合高分子材料以及纳米粒子所具有的特性，大大的扩展了高分子材料的应用领域，而成为纳米材料里的研究热门。 1、纳米材料的特性 1992年国际纳米材料会议对纳米材料定义如下:一相任一维的尺寸达到 100nm以下的材料为纳米材料[2]。由此可知,纳米材料的几何形状既可以是粒径小于100nm的零维纳米粉末,也可以是径向尺寸小于100nm的一维纳米纤维或二维纳米膜、三维纳米块体等。纳米材料的材质可以是金属或非金属;相结构可以是单相或多相;原子排列可以是晶态或非晶态。当物质进入纳米级后,其在催化、光、电、热力学等方面都出现特异化,这种现象被称为“纳米效应”。具体表现在以下几个方面： （1）表面效应
碳纳米管的结构_制备_物性和应用
第14卷 第2期邵阳高等专科学校学报Vol.14.No.2 2001年6月Journal of Shaoyang College J un.2001文章编号:1009-2439(2001)02-0081-10 碳纳米管的结构、制备、物性和应用 唐东升1 唐成名2 刘朝晖3 解思深1 (①中国科学院物理研究所与凝聚态中心,北京 100080) (② 邵阳高等专科学校,湖南邵阳 422004) (③ 南华大学现代教育技术中心,湖南衡阳 430000) 摘要:综述了碳纳米管的研究进展,简单地介绍了单层碳纳米管和多层碳纳米管的基本形貌、结构及其表征,列举了几种主要的制备方法以及特点,介绍了碳纳米管优异的物理化学性质,以及在各个领域中潜在的应用前景. 关键词:碳纳米管;结构;制备;应用;透射电子显微镜;扫描电子显微镜 中图分类号:O469 文献标识码:A 碳是自然界中性质最为独特的一种元素,它通过不同的成键方式所形成结构和性质迥异的同素异形体(石墨和金刚石),在很久以前就被人类所认识:当碳原子与四个近邻原子以共价键结合(sp3杂化)时,形成各向同性坚硬的金刚石,而当碳原子在同一平面内与三个近邻原子以共价键结合而第四个价电子成为共有化电子(sp2杂化)时,形成各向异性柔软的石墨.以sp2杂化模式成键的石墨具有六角网格的层状结构,层内是通过强共价键相互作用,而层与层之间是通过弱范德瓦耳斯键相互作用.在常压下石墨一直到很高的温度仍是碳的热力学稳定的体相(金刚石仅仅是动力学稳定的体相).然而随着人类对物质世界的认识深入到介观层次(～100nm)时,这种古老的元素呈现出全新的结构和物性,比如当石墨微晶的尺寸很小(比如纳米量级)时,情况就和体相很不一样了,因为此时每个石墨微晶中只有有限数目的碳原子,具有悬挂键的碳原子的密度会很大,这时石墨的层状结构就会弯曲封闭,以至边缘的具有悬挂键的碳原子相互结合成键使得系统的能量最低.这种由石墨原于层弯曲构成的闭合的壳层结构就是我们所要讨论的富勒烯和碳纳米管. 1984年爱克森(Exxon)石油公司一个小组在研究碳团簇时得到了如下结论[1]对于1≤n≤30奇数与偶数的C n都是存在的;(2)对于20≤n≤90只有C2n形式存在.他们认为碳原子链可以达到24个原子.遗憾的是他们并没有对较大的团簇做进一步的研究.一年之后英国Sussex大学的克罗托教授到美国Rice大学与柯尔(R.F.Curl)和斯莫利(R.E.Smalley)进行合作研究.他们认为宇宙空间存在的反常红外吸收可能与空间存在的碳团簇有关.于是他们利用一台激光蒸发团簇束的实验设备来制备长链碳分子.在对合成的所谓长链碳分子进行测量时,出人意料的结果出现了,在碳原子簇的质谱图上质量数为720的地方存在一个强峰,其强度为其它峰强度的30倍[3].在对实验结果的反复论证和分析后,他们提出了由60个碳原子组成的具有类似于足球形状的截角二十面体的完美对称性结构.在这个结构中60个碳原子位于此截面体的60个顶点上.而32个面分别由20个六面体及12个五面体组成,五面体各不相邻.在此笼状结构中碳原子没有悬键,因而能量低结构稳定.各个原子成键情况完全相同.随后的一系列实验证实了这些设想.这样,在碳的家族中,又增加了新的一员-C60[2～5],三位教授因此获得了1996年诺贝尔化学奖. 此后两项工作引起了世界范围内研究富勒烯(C60)的热潮:(1)1990年,德国马普研究所的克莱希墨(W. Kratschmer)教授和美国亚历桑那大学的霍夫曼(D.R.Huffman)教授从石墨棒电弧放电产生的烟灰中分离出毫克级的C60,并得到了C60单晶[6].这一重大进展为进一步研究C60的性质和应用打下了坚实的基础.(2)海顿(R. C.Haddon)教授等人发现碱金属掺杂后形成的M3C60具有较高的超导转变温度(T c～33K)[7].于是大家纷纷用与克莱希墨类似的方法从放电烟灰中制备C60[8～12],并进行掺杂研究,但很少有人对放电过程中阴极上形成的沉积物产生兴趣.碳的管状物虽然早有报道,但由于管径较大没有受到人们的重视[13,14].日本NEC公司的饭岛(S.Iijima)教授是一名杰出的电镜专家,在对碳材料的研究方面具有相当丰富的经验[15].他第一个对石墨棒放电所形成的阴极沉积物仔细地进行了电镜研究,他发现有一种针状物,这种针状物的直径为4～30nm,长度约为 收稿日期:2001-01-15
新型碳纳米结构的发现与启示
第29卷第1期2014年2月 大学化学 UNIVERSITY CHEMISTRY Vol.29No.1 Feb.2014 新型碳纳米结构的发现与启示* 张安琪1 陈萌2** (1复旦大学材料科学系 上海200433;2复旦大学化学系 上海200433) 摘要 回顾了C60二碳纳米管和石墨烯3种重要碳纳米结构的发现过程,着重总结了新型碳单质发现过程中对科学研究者有益的启示与思考三 关键词 富勒烯 碳纳米管 石墨烯 1985年,C60的诞生改变了人们对碳元素单质种类的认识,这种 最完美的分子”顺理成章地成为第3种具有规整结构的碳同素异形体三C60的发现和研究,引发了大型碳笼分子及其衍生物的研究热潮,开启了一项全新的化学研究领域 富勒烯科学三随后,碳纳米管的发现(1991年)和石墨烯的制备(2004年)进一步丰富了 碳家族”成员三3种碳纳米结构的认识历程跌宕起伏,高潮迭起,颇具戏剧性;回顾其发现历程,总结和吸取其经验教训,能够带给我们许多有益的启示三 1 新型碳材料的发现 1.1 富勒烯 很多重大的科学发现是有 先兆”的三1966年,David E.H.Jones[1]在科普周刊‘新科学家“(New Scientist)发表了一篇题为 空心分子”的文章,提出空心石墨 气球”的构想三但这一想法过于理想化,且无事实依据,未能引起人们的关注三到20世纪70年代早期,Donald R.Huffman教授和Wolfgang Kratschmer博士用石墨挥发凝聚法得到微小碳粒,这种颗粒在紫外区域产生了类似于星际物质的消光光谱三不过当时人们普遍认为碳单质仅有金刚石和石墨两种结构,这种颗粒及其可能来源于石墨的吸收峰,并无研究价值三Huffman和Kratschmer只是简单地将其解释为制造过程中不小心引入的杂质,从而错过了重大科学发现的机会三 与此同时,英国波谱学家H.W.Kroto推测遥远星际空间的红巨星的富碳气氛中含有氰基聚炔链状分子(HC n N,n<15),他希望通过模拟富碳气氛合成该分子,探索其形成机制三1984年,Kroto结识了莱斯大学研究原子簇化学的R.E.Smalley教授,对他们设计的激光超团簇发生器很感兴趣三1985年, Kroto,Smalley和Curl联手合作,尝试用激光轰击石墨来制备氰基聚炔链状分子三在成功获得氰基聚炔链状分子的同时,他们意外地在第二代团簇束流发生器(AP2)的飞行时间质谱上发现了60个碳原子(C60)和70个碳原子(C70)的特征峰,其中C60处的信号峰最为强烈三那么,这个由60个碳原子组成的最稳定结构究竟是什么呢? 他们尝试把60个碳原子设计成类似于金刚石的正四面体结构二石墨的层状结构和环状多烯等多种分子结构,然而,无论怎样组合,这些结构都带有不饱和价键或碳原子支链,其化学性质必然非常活泼,这与C60分子超常稳定的事实不符三绞尽脑汁之际,Kroto想起了1967年加拿大蒙特利尔万国博览会中美国展览馆的造型 由五边形和六边形拼成的半球形建筑穹顶(图1(a)),随后,Smalley便设计了一个模型(图1(b)),恰好搭出了60个顶点的完美对称球体结构三 * **基金资助:莙政基金中国大学生见习研修计划(No.12016) E?mail:chenmeng@https://www.360docs.net/doc/4318992250.html,