碳纳米材料综述
碳纳米管的特性及其高性能的复合材料综述
碳纳米管的特性及其高性能的复合材料综述摘要作为一种具有较强力学性能的材料，碳纳米管自诞生以来就受到了广泛关注，并且从以往的实践经验上来看，碳纳米管是非常理想的制备符合材料的形式。
在本文的研究当中，主要立足于这一领域进行分析，提出了碳纳米管本身所具备的特性，以及这种材料在实践过程当中的优越性，进而提出应用策略，希望能够在一定程度上起到借鉴作用。
关键词碳纳米管；复合材料；复合镀迄今为止，碳纳米管材料已经在诸多领域当中得以运用，并且取得了比较显著的成果，其中包括电极材料、符合材料、催化剂载体等诸多方面。
在应用过程当中，碳纳米管的优异性能能够使其在符合材料当中起到较强的作用。
本文研究的侧重点在于碳纳米管的制备和复合材料的应用方面，提出了碳纳米管的特性及其高性能的复合材料。
1 碳纳米管的结构及其性能从结构上来看，碳纳米管具有石墨层状的结构，其中包括单壁碳纳米管和多壁碳纳米管。
组成纳米碳管的C-C共价键是自然界当中具有稳定特征的化学键，无论在理论计算还是实践当中，都能够看出来，碳纳米管具有非常强的韧性。
在制备过程当中，碳纳米管主要涉及的电弧放电、催化热解和激光蒸发等。
具体来讲，在电弧放电当中，主要制备单壁碳纳米管，但是其中具有一定的弊端，比如产率非常低，但是成本却很高；而催化热解法当中所表现出来的是设备简单和生长速度较快等特点，一般在现代工程的批量化生产过程当中，会用到这种方法。
在当前应用领域，高强度的微米级碳纤维复合材料有着非常广阔的应用前景和较好的应用效果。
但是当前我国在这一领域所取得的进展依旧比较滞后，要想在强度上取得新的突破，必须要有效减少碳纤维的直径，提高纵横比。
碳纳米管是比较典型的纳米材料，纵横比非常可观。
更为重要的是，从长度上来讲，纳米管对于复合材料的加工性能并没有非常明显的不良影响，使用这一材料能够有效聚合复合材料，改变传统加工当中的一些问题，增强复合材料的导电性能。
再加上纳米管当中所具备的结构优势，使得聚合物电导率提升的同时也不容易被改变性能[1]。
纳米碳材料的特性及应用
纳米碳材料的特性及应用纳米碳材料是指由碳原子组成的材料，在纳米尺度下具有特殊的物理、化学和电子性质。
常见的纳米碳材料包括纳米管、纳米颗粒和石墨烯等。
纳米碳材料具有以下特性：1. 巨大的比表面积：纳米碳材料具有极高的比表面积，使其具有优异的吸附性能和催化性能。
比表面积的增大有助于提高材料的活性。
2. 准一维或二维结构：纳米碳材料常常具有准一维或二维结构，例如碳纳米管是一种具有管状结构的材料，石墨烯是一种单层碳原子排列成二维平面结构的材料。
这种结构使纳米碳材料具有特殊的电子和光学性质。
3. 高导电性和高机械强度：纳米碳材料具有优异的导电性和机械强度。
其中，碳纳米管具有优异的导电性和力学性能，是一种理想的导电材料。
石墨烯也具有较高的导电性和机械强度，具有广泛的应用前景。
4. 优异的光学特性：纳米碳材料具有优异的光学特性，例如碳纳米管具有独特的吸收和发射光谱特性，可以应用于光电器件和生物标记。
纳米碳材料在许多领域具有广泛的应用，包括以下几个方面：1. 电子学应用：由于纳米碳材料具有优异的导电性和机械强度，常用于制备导电材料和电子器件。
碳纳米管和石墨烯等纳米材料可用于制备柔性电子器件、场发射材料和导电粘合剂等。
2. 催化应用：纳米碳材料具有较大的比表面积和良好的催化性能，可用作催化材料。
纳米碳材料在催化剂的设计和开发中起到重要的作用，特别是碳纳米管在应用于催化反应中具有较高的活性和选择性。
3. 吸附材料：纳米碳材料具有巨大的比表面积和优异的吸附性能，可用作吸附剂。
纳米碳材料对有机物质和重金属离子等具有良好吸附能力，可应用于环境污染物的吸附和处理。
4. 生物医学应用：纳米碳材料在生物医学领域具有广泛的应用。
纳米碳材料具有较好的生物相容性和生物活性，可以用于生物传感器、药物传递、组织工程和生物成像等方面。
5. 能源存储和转换：纳米碳材料在能源领域具有重要的应用价值。
碳纳米管和石墨烯等纳米材料具有较高的电导率，可用于制备电池电极材料、超级电容器和燃料电池等。
碳纳米材料在电池中的应用研究
碳纳米材料在电池中的应用研究引言：随着能源需求的增长和能源消耗的加剧，传统燃料的使用已经不再可持续。
因此，人们对新型能源储存和转换技术的需求变得越来越迫切。
碳纳米材料由于其特殊的结构和优异的性能，在能源领域中得到了广泛关注。
本文将重点讨论碳纳米材料在电池中的应用研究，探讨其潜在的应用前景和挑战。
一、碳纳米材料的特性和制备方法碳纳米材料是由碳原子构成的纳米尺度材料，包括碳纳米管、石墨烯、炭黑等。
它们具有高比表面积、良好的导电性和化学稳定性等独特的特性。
碳纳米材料的制备方法繁多，常见的有化学气象法、电弧放电法和化学气相沉积法等。
二、碳纳米材料在锂离子电池中的应用1. 正极材料改性由于其高比表面积和导电性，碳纳米材料可用于改善锂离子电池正极材料的性能。
例如，将碳纳米管添加到锂铁磷酸盐正极材料中，可以提高其电导率和锂离子扩散速度，从而提高电池的放电性能和循环稳定性。
2. 负极材料改性碳纳米材料还可以用于改善锂离子电池负极材料的性能。
石墨烯的应用研究表明，添加石墨烯可以提高负极材料的电导率和锂离子嵌入/脱嵌速率，从而增加电池的储能密度和循环寿命。
三、碳纳米材料在超级电容器中的应用1. 电极材料改性碳纳米材料可以用于改善超级电容器的电极材料。
炭黑是一种常用的电极材料，其高比表面积和导电性使得电容器具有较高的电容量和快速的充放电速度。
此外，碳纳米管和石墨烯等材料的引入也可以进一步提高超级电容器的性能。
2. 电解质改性除了作为电极材料的改性外，碳纳米材料还可以用于改善超级电容器的电解质。
例如，添加碳纳米材料到电解质中可以提高其离子传导能力和界面稳定性，从而提高超级电容器的性能。
四、碳纳米材料在太阳能电池中的应用碳纳米材料也被广泛研究用于太阳能电池中。
由于其高比表面积和导电性，碳纳米材料可以提高太阳能电池的光吸收能力和电荷传输速率。
此外，石墨烯和碳纳米管的应用可以提高太阳能电池的稳定性和寿命。
总结：碳纳米材料在电池中的应用研究显示出了巨大的潜力。
碳纳米材料
精品课件
碳纳米管的应用潜力
高性能纤维、复合材料 高导电、高导热纤维/复合材料 抗冲击防护材料 电磁屏蔽 锂电/超电容储能和电极材料 吸附和过滤材料 用于：航空航天、军工、能源、环境、机械、电子、生活
精品课件
石墨烯
精品课件
精品课件
20世纪70年代，Clar等利用化学方法合 成一系列具 有大共轭体系的化合物，即 石墨烯片。
Schmidt等科学家对其方法进行改进，合 成了许多含不同边缘修饰基团的石墨烯 衍生物，但这种方法不能得到较大平面 结构的石墨烯。
2004年，Geim等以石墨烯为原料，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）”
精品课件
石墨烯中各个碳原子之间的连接十分柔韧，当对其施加 外部机械力时，碳原子面就会弯曲变形，从而使碳原子 不必重新排列来适应这个外力，就保持了该材料结构的 稳定性。
同时，这种稳定的晶体结构也使石墨烯具有优秀的导电 性，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。
石墨烯因具有高的比表面积、突出的导热性能和力学性 能及其非凡的电子传递性能等一系列优异的性质。
精品课件
石墨烯独特的性能与其电子能带结构紧密相关。石墨烯 电子能带结构以独立碳原子为基，将周围碳原子产生的 势作为微扰，可以用矩阵的方法计算出石墨烯的能级分 布。在狄拉克点附近展开，可得能量与波矢呈线性关系 （类似于光子的色散关系），且在狄拉克点出现。这意 味着在费米面附近，石墨烯中电子的有效质量为零，这 也解释了该材料独特的电学等性质。
碳纳米材料
精品课件
碳纳米简介
碳纳米材料的含义：
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。
mof衍生碳纳米材料
mof衍生碳纳米材料
MOF (金属有机骨架材料) 是一类以金属离子或金属簇为节点、有机配体为连接体的晶体材料。
它具有特殊的多孔结构、可调控的孔径和表面功能性，因此被广泛研究和应用于气体吸附与储存、气体分离与传感、催化等领域。
MOF材料具有高度的化学可调控性和结构多样性，可以通过
合成来调节孔径大小和表面性质，进而合成出不同应用需求的碳纳米材料。
例如，通过选择特定的配体和金属离子，研究人员可以合成出具有高度多孔结构的MOF材料，进一步将其进
行碳化处理，得到具有纳米结构和大表面积的碳材料。
这些碳纳米材料可以被用作催化剂支撑材料、储能材料、吸附剂等。
此外，通过将MOF材料与其他碳材料如石墨烯、碳纳米管等
进行复合，还可以得到具有优异性能的复合碳纳米材料。
这些复合材料可以具有高导电性、高孔容、高力学性能等特点，在电化学能源存储、催化反应等方面具有潜在应用前景。
总结来说，MOF衍生碳纳米材料是通过合成、碳化或与其他
碳材料复合等手段，利用MOF材料所特有的可调控多孔结构
和多样性化学性质形成的一类碳纳米材料，具有广泛的应用潜力。
碳纳米材料在催化领域中的应用
碳纳米材料在催化领域中的应用引言：碳纳米材料是一类具有优异性能和广泛应用前景的新型材料。
由于其独特的结构和物理化学性质，碳纳米材料在催化领域中展现出了巨大的潜力。
本文将从催化反应机理、催化剂设计、电化学催化等方面，综述碳纳米材料在催化领域中的应用。
一、碳纳米材料的催化反应机理研究1.1 表面活性位点的理解在催化过程中，表面活性位点是催化剂实现分子转化的关键。
碳纳米材料具有丰富的表面活性位点，包括边界位点、缺陷位点等。
深入研究碳纳米材料表面活性位点的结构和性质，对于理解碳纳米材料催化机理具有重要意义。
1.2 催化反应机理的研究方法通过理论计算和实验手段相结合的方法，可以揭示碳纳米材料在催化领域中的应用机制。
以氢化反应为例，通过计算方法可以模拟催化反应的过程，揭示碳纳米材料表面的活性位点和反应物之间的相互作用，为设计高效催化剂提供理论指导。
二、基于碳纳米材料的催化剂设计2.1 碳纳米材料基载体的设计将金属纳米颗粒载载于碳纳米材料的表面，可以有效地提高催化剂的稳定性和分散性。
通过选择不同的碳基材料，如石墨烯、碳纳米管等，可以调控金属纳米颗粒与碳基材料之间的相互作用，从而实现对催化剂性能的优化。
2.2 表面修饰的催化剂设计通过在碳纳米材料表面引入功能基团，可以改变催化剂的表面性质，进而调控催化剂的催化活性和选择性。
例如，引入酸性基团可以增强催化剂对酸性催化反应的催化活性；引入金属基团可以实现对催化剂表面电子结构的调控，从而优化催化剂的性能。
三、碳纳米材料在电化学催化中的应用3.1 燃料电池催化剂的设计碳纳米材料具有优异的导电性能和较高的比表面积，因此被广泛应用于燃料电池催化剂的设计中。
通过调控碳纳米材料的形貌和结构，可以提高燃料电池的催化活性和稳定性。
3.2 电解水催化剂的设计电解水是制备氢能的重要方式，而碳纳米材料在电解水催化剂设计中也显示出了极大的应用潜力。
石墨烯、碳纳米管等碳基材料被广泛运用于电解水催化剂的制备，通过控制碳纳米材料的结构和掺杂杂原子，可以提高电解水的分解效率。
碳基纳米材料
碳基纳米材料
碳基纳米材料是一类具有特殊结构和性能的纳米材料，由碳元素组成，具有独
特的电学、光学、热学和力学性质。
碳基纳米材料包括碳纳米管、石墨烯、碳纳米片等，它们在材料科学、纳米科技、电子学、光电子学等领域具有广泛的应用前景。
首先，碳纳米管是一种空心圆柱形结构的碳纳米材料，具有优异的导电性、热
导率和力学性能。
碳纳米管可以用于制备导电材料、增强材料、传感器、储能材料等。
其独特的结构和性能使其在纳米材料领域具有重要的应用前景。
其次，石墨烯是一种由单层碳原子按照六角形排列而成的二维材料，具有优异
的导电性、热导率和机械强度。
石墨烯可以用于制备柔性电子器件、透明导电薄膜、超级电容器、锂离子电池等。
其独特的二维结构和优异的性能使其成为纳米材料领域的研究热点。
最后，碳纳米片是一种由多层石墨烯片层堆积而成的纳米材料，具有介于石墨
烯和石墨之间的性质。
碳纳米片可以用于制备导电材料、阻燃材料、复合材料等。
其特殊的结构和性能使其在材料科学和工程领域具有广泛的应用前景。
总之，碳基纳米材料具有独特的结构和性能，具有广泛的应用前景。
随着纳米
科技的不断发展和进步，碳基纳米材料将会在材料科学、电子学、光电子学等领域发挥重要作用，推动科技创新和产业发展。
希望通过对碳基纳米材料的研究和应用，能够为人类社会的可持续发展做出更大的贡献。
纳米材料文献综述资料
北京化工大学北方学院NORTH COLLEGE OF BEIJING UNIVERSITY OFCHEMICAL TECHNOLOGY碳纳米管的性质与应用姓名：赵开专业：应用化学班级： 0804学号： 0801050972011年05月文献综述前言本人论题为《碳纳米管的性质与应用》。
碳纳米管是一维碳基纳米材料，其径向尺寸为纳米级，轴向尺寸为微米量级，管子两端基本上都封口。
碳纳米管具有尺寸小、机械强度高、比表面大、电导率高、界面效应强等力学，电磁学特点。
近年来，碳纳米管在力学、电磁学、医学等方面得到了广泛应用。
本文根据众多学者对碳纳米管的研究成果，借鉴他们的成功经验，就碳纳米管的性质及其功能等方面结合最新碳纳米管的应用做一些简要介绍。
本文主要查阅近几年关于碳纳米管相关研究的文献期刊。
碳纳米管（CNT）是碳的同素异形体之一，是由六元碳环构成的类石墨平面卷曲而成的纳米级中空管，其中每个碳原子通过SP2杂化与周围3个碳原子发生完全键合。
碳纳米管是由一层或多层石墨按照一定方式卷曲而成的具有管状结构的纳米材料。
由单层石墨平面卷曲形成单壁碳纳米管（SWNT），多层石墨平面卷曲形成多壁碳纳米管（MWNT）。
自从1991年日本科学家lijima发现碳纳米管以来，其以优异的力学、热学以及光电特性受到了化学、物理、生物、医学、材料等多个领域研究者的广关注。
一、碳纳米管的性质碳纳米管的分类研究碳纳米管的性质首先要对其进行分类。
（1）按照石墨层数分类，碳纳米管可分为单壁碳纳米管和多壁碳纳米管。
（2）按照手性分类，碳纳米管可分为手性管和非手性管。
其中非手性管又可分为扶手椅型管和锯齿型管。
（3）按照导电性能分类，碳纳米管可分为导体管和半导体管。
碳纳米管的力学性能碳纳米管无缝管状结构和管身良好的石墨化程度赋予了碳纳米管优异的力学性能。
其拉伸强度是钢的100倍，而质量只有钢的1/ 6，并且延伸率可达到20 %，其长度和直径之比可达100～1000，远远超出一般材料的长径比，因而被称为“超强纤维”。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
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
长期以来，人们只知道碳的同素异形体有三种：金刚石、石墨和无定形碳。
自从1985年发现了零维碳纳米材料——富勒烯C60，1991年、1992年又相继发现了一维碳纳米材料碳纳米管和另外一种零维碳纳米材料洋葱碳。
自此，碳有了第四种同素异形体，同时也开启了低维碳纳米材料研究的序幕。
1999年，韩国科学家制备出了具有纳米级孔道结构的有序介孔碳纳米结构材料。
2004年，英国曼彻斯特大学的科学家得到了单层、二维的碳原子晶体——石墨烯，又引起了碳材料研究的另一次热潮。
这些新型碳材料的陆续发现在给科学界带来了一个又一个的惊喜的同时，其奇特的结构、良好的物理和化学稳定性、特殊的电子性质、表面性质、吸附特性、限域效应等也引起了科研工作者的广泛关注，并取得了一系列令人振奋的研究成果[3]
2.1零维碳纳米材料
碳纳米材料按其空间维度受纳米尺度的约束程度可以分为三类:零维，一维和二维碳纳米材料。
零维碳纳米材料指的是三个维度均在纳米范围的碳材料，富勒烯、洋葱碳、碳包覆纳米金属颗粒以及纳米金刚石等是其中的典型代表。
2.1.1富勒烯(fullerene)
富勒烯C60是1985年英国波谱学家Kroto以及美国的Curl和Smally在研究石墨气化产物时发现的稳定的碳原子簇分子。
结构研究表明,C60是一个由12个五元环和20个六元环组成的外形酷似足球的32面体，其直径大约为0.7nm。
富勒烯的制备方法主要有：石墨激光气化法、石墨电弧放电法、太阳能加热石墨法、石墨高频电炉加热蒸发法、苯火焰燃烧法、有机合成法等，目前主要还是通过石墨电弧法来获得富勒烯[4]。
C60一经发现，化学家们就开始探索它们应用于催化剂的可能性。
目前，富勒烯及其衍生物在催化材料领域的研究主要包括以下三方面：(1)富勒烯直接作为催化剂；(2)富勒烯及其衍生物作为均相催化剂使用；(3)富勒烯及其衍生物在多相催化剂中的应用。
由于富勒烯具有缺电子烯烃的性质，具有一定的亲电性，可以稳定自由基，使之吸附在富勒烯的表面，因此能够促进强化学键的断裂与生成。
Hirschon等和Muradov研究了富勒烯在甲烷裂解制高碳烃和氢的反应中的活性和选择性。
他们发现与活性炭和炭黑相比，以甲苯抽提含有12 %C60的烟灰具有更高的甲烷转化率和低碳烯烃的选择性，反应温度低于其他碳材料。
2.1.2 洋葱碳和碳包覆金属纳米颗粒
1992年Ugarte等用高强度电子束对碳棒长时间照射，发现了多层相套的巴基球，结构像洋葱，也被称为洋葱碳(onion-like carbon)。
截至目前，制备洋葱碳的方法只有电子束辐照法、直流电弧法、催化热解法以及等离子体法等少数几种。
碳包覆纳米金属颗粒(carbon-encapsulated metalnanoparticles ,CEMNPs)是一种新型的零维纳米碳-金属复合材料。
其结构特征是:有序排列的石墨片层紧密环绕中心金属纳米颗粒，形成类洋葱结构。
由于碳壳的限域和保护作用，可以将金属粒子禁锢在很小的空间内，并使包覆其中的金属纳米粒子免受外界环境的影响而稳定存在。
这种新型的零维碳-金属纳米材料具有奇特的光电磁性质，在医疗、磁记录材料、电磁屏蔽材料、锂电池电极材料和催化材料等领域具有十分广泛的应用前景。
其制备方法主要有电弧放电法、化学气相沉积法、热解法和液相浸渍法等。
Hu 等报道了一种磁可分的Pt催化剂的制备方法。
通过非破坏性的自由基加成法将碳包覆镍颗粒表面修饰上大量的羧基，经过Pt盐的浸渍-还原后得到高。