碳纳米管与石墨烯的化学修饰
碳纳米管和石墨烯简介
良好的热学性能：
•一维管具有非常大的长径比，因而大量热是沿着长度方向传递的，通过合适的取向，这种管子可以合成高各向 异性材料。另外，碳纳米管有着较高的热导率，只要在复合材料中掺杂微量的碳纳米管 ,该复合材料的热导率 将会可能得到很大的改善 。
优良的储氢性能：
碳纳米管的中空结构， 以及较石墨(0．335nm)略大的层间距(O．343nm)，是具有更加优良的储氢性能， 也成为科学家关注的焦点。清华大学吴德海教授所领导的碳纳米材料研究小组，近日发现将碳纳米管制成电 极，进行恒流充放电电化学实验，结果表明, 混铜粉定向多壁碳纳米管电极的储氢量是石墨电极的10倍, 是非 定向多壁碳纳米管电极的13倍, 比电容量高1625 mAh/g, 单位体积储氢密度为39.8kg/m3,具有优异的电化学储 氢性能。
光学性质
• 根据理论推导，石墨烯会吸收 2.3%的白光 • 一个单原子层物质不应该有这么高的不透明度，单层石墨烯的独 特电子性质造成了这令人惊异的高不透明度。
自旋传输
• 自旋-轨道作用很小，而且碳元素几乎没有核磁矩 • 使用非局域磁阻效应，可以测量出，在室温状况，自旋注入于石 墨烯薄膜的可靠性很高，并且观测到自旋相干长度超过1微米。使 用电闸，可以控制自旋电流的极性
石墨烯的应用
透明电极：
工业上已经商业化的透明薄膜材料是氧 化铟锡(ITO)，由于铟元素在地球上的含量 有限，价格昂贵，尤其是毒性很大，使它的 应用受到限制。作为炭质材料的新星，石墨 烯由于拥有低维度和在低密度的条件下能形 成渗透电导网络的特点，被认为是氧化铟锡 的替代材料，石墨烯以制备工艺简单、成本 低的优点为其商业化铺平了道路。Mullen研 究组通过浸渍涂布法沉积被热退火还原的石 墨烯，薄膜电阻为900 Ω ，透光率为70％ ，薄膜被做成了染料太阳能电池的正极，太 阳能电池的能量转化效率为0．26％。2009 年，该研究组采用乙炔做还原气和碳源，采 用高温还原方法制备了高电导率(1425S／ cm)的石墨烯，为石墨烯作为导电玻璃的替 代材料提供了可能。
石墨烯、碳纳米管总结
第四、五章总结石墨烯、碳纳米管的化学生物传感一、石墨烯和碳纳米管1、石墨烯是由碳原子以sp2杂化连接的单原子层构成的，其基本结构单元为有机材料中最稳定的苯六元环，其理论厚度仅为0.35 nm，是目前所发现的最薄的二维材料。
石墨烯是构成其它石墨材料的基本单元，可以翘曲变成零维的富勒烯, 卷曲形成一维的CNTs或者堆垛成三维的石墨。
2、碳纳米管是由碳六元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sp 2杂化与周围3个碳原子发生完全键合。
由于石墨烯和碳纳米管独有的结构和奇特的物理、化学特性，迅速成为备受瞩目的国际前沿和研究热点。
二、石墨烯和碳纳米管的制备1、石墨烯的制备（1）机械剥离法(机械剥离法就是利用机械力，将石墨烯片从具有高度定向热解石墨表面剥离开来。
是制备石墨烯最为直接的方法。
但低产率和尺寸不易控制等缺点使该方法仅适用于实验室的基础研究。
)（2）氧化石墨-还原法(利用KClO 和HNO 可以使石墨层深度氧化，获得氧化石墨(GO)，GO与石墨烯具有类似的平面结构，以其为前体采用适当的还原方法可以使其表面的功能团消除，获得石墨烯材料。
)（3）化学气相沉积法(采用一定化学配比的气体为反应物，在特定激活条件下，通过气相化学反应可在不同的基片表面生成石墨烯膜层。
优点一、获得单层石墨烯比例大，二、结晶完整度高。
缺点：成本高产量低。
)2、碳纳米管的制备方法自发现CNTs以来人们尝试了多种方法进行制备研究，取得了一定的进展。
如电弧法、激光蒸发法、催化裂解法等。
在以上许多的制备方法中，有一个共同的特点，即产生小的碳(Cn)组分以使CNTs生长，从这一点来看，各种合成方法的区别在于产生碳组分的方法不同。
电弧法和激光蒸发是由电极或靶蒸发产生的碳蒸气；催化裂解法是由碳氢化合物与催化剂相互作用产生的碳蒸气。
三、石墨烯和碳纳米管的功能化所谓功能化就是利用石墨烯和CNTs在制备过程中表面产生的缺陷和基团通过共价、非共价或掺杂等方法，使石墨烯或CNTs表面的某些性质发生改变，更易于研究和应用。
碳纳米管和石墨烯简介
其制得的CNTs抗拉强度不如上两种 方法好；存在催化剂失活的现象。
碳纳米管的性能
优异的力学性能：
•碳纳米管的硬度与金刚石相当，却拥有良好的柔韧性，可以拉伸。碳纳米管的长径比一般在1000:1以上，是 理想的高强度纤维材料。美国宾州州立大学的研究人员称，碳纳米管的强度比同体积钢的强度高100倍，重量 却只有后者的1/6到1/7。碳纳米管因而被称“超级纤维”。碳纳米管置于1000Pa的水压下,碳纳米管被压扁, 撤去压力后，碳纳米管像弹簧一样立即恢复了形状，表现出良好的韧性。
碳纳米管不总是笔直的，局部可能出现凹凸的现 象，这是由于在六边形结构中混杂了五边形和七边形。出 现五边形的地方，由于张力的关系导致碳纳米管向外凸出。 如果五边形恰好出现在碳纳米管的顶端，就形成碳纳米管 的封口。出现七边形的地方碳纳米管则向内凹进。
碳纳米管的制备
电弧法
该方法是在真空反应室中充满 一定压力的惰性气体，采用面积较大 的石墨棒作电极，面积较小的石墨棒 作阳极。在电弧放电过程中，两石墨 电极间总保持一定的间隙。阳极石墨 棒不断被消耗，阴极上沉积有碳纳米 管、富勒烯、石墨颗粒、无定形碳和 其他形式的炭颗粒。
温度不易控制导致碳纳米管缺 缺点： 陷多；副产物多不易后期的分离提纯。 单壁碳纳米管的纯度较低、易
粘结。
有机气体催化裂解
催化裂解法是目前应用最广、最 易实现大规模生产的一种制备方法。 在此法中化学气相沉积法应用最广。 一般采用铁、钴、镍及合金做催化剂， 粘土、硅酸盐、氧化铝做载体，低碳 烃如乙炔、甲烷、丙烯等做碳源、氮 气、氢气、氨气等做稀释气在高温的 气流炉中进行，有时候还采用等离子 加强或微波辅助的方法来保持碳原子 的均匀分布。
任何极端温度下都不会损坏的特殊的“钢筋铁骨橡胶”
碳纳米管的结构_制备及修饰
●自Iijima [1]首次用高分辨透射电镜发现碳纳米管(CNTs)后,碳纳米管及其相关材料以其独特的性质、新颖的结构及许多潜在的应用前景引起了人们极大的兴趣和关注,而用纳米材料来修饰和填充碳纳米管成为人们研究的热点之一[2-4]。
探索碳纳米管的物理、化学性能及其在各个领域中的应用也成为众多科研工作者研究的目标。
碳纳米管的结构比较特殊是由类似于石墨的六边形网络所组成的管状物,独特的纳米中空结构、封闭的拓扑构型及不同的螺旋结构等使其具有大量特殊的优异性能,如导电性好，耐热，机械强度比较高，耐腐蚀，有自润滑性和生物相容性等。
这些优异特性使得碳纳米管在复合材料、储氢材料、催化剂材料等方面有着巨大的应用潜力。
纳米中空结构使得它有可能作为一种纳米反应器[5]。
作为碳家族的新成员,它有合适的孔径分布,便于金属组分更好地分散[6]。
它独特而又稳定的结构及形貌,尤其是表面性质,能依据人们的需要进行不同方法的修饰,使其适合作为新型催化剂载体[7-8]。
1碳纳米管的性质1.1碳纳米管的结构碳纳米管可分为单壁碳纳米管（SWNTs ）和多璧碳纳米管（MWNTs ）。
碳纳米管可看作是由石墨烯层片卷成、直径为纳米尺度的圆桶,其两端由富勒烯半球封帽而成。
多壁碳纳米管则是由若干个单层管同心套迭而成的，石墨碳原子中的4个价电子只有3个成键,形成六边形的平面网状结构。
这种排列使石墨中的每个碳原子有一个未成对电子,这个未成对电子围绕着这个碳环平面高速运转,因而使石墨具有较好的导电性，碳纳米管中存在大量的六边形结构，当六边形往外逐渐延伸成为五边形时，会造成碳纳米管突出；而形成七边形时碳纳米管则凹进。
这样就形成了碳纳米管独特的纳米中空结构、封闭的拓扑构型及不同的螺旋结构。
而碳纳米管也由于如此的特殊结构具有了一系列卓越的性质。
1.2碳纳米管的制备电弧法制备碳管的基本原理是在两个相距很近的石墨电极间加上高电压以至放电，放电电弧产生的高温使得阳极石墨棒上的碳物质迅速蒸发，随后蒸发物质中的碳原子以团簇为单元组成多种碳物质形态，沉积于阴极和反应腔壁上，碳纳米管是其中的沉积产物之一。
石墨烯化学改性及其应用研究
石墨烯化学改性及其应用研究石墨烯是一种由碳原子构成的平面六角形结构的材料，它具有很高的机械强度、热导率和导电率，被认为是一种前景广阔的新型材料。
然而，石墨烯的应用受到其在化学稳定性和生物相容性方面的限制。
为了解决这些问题，石墨烯化学改性被广泛研究。
一、石墨烯化学改性方法石墨烯的化学稳定性可以通过在其表面引入化学官能团来增强。
通常使用的方法有氧化、烷基化和芳基化等。
1. 氧化改性：氧化是最常用的化学改性方法之一，可以通过暴露石墨烯在有机溶剂和强氧化剂下，例如硝酸和过氧化氢，来引入氧化官能团。
氧化石墨烯（GO）的羟基、羧基和酮基等官能团可以提高其在水中的分散性，并可用于制备复合材料和高性能纳米电子器件。
2. 烷基化改性：烷基化是通过与自由基或亲电试剂反应来在石墨烯表面引入烷基官能团。
例如，用溴代烷或卤代乙酸盐可以在石墨烯表面引入烷基官能团，增加了其与有机分子的相容性。
3. 芳基化改性：芳基化包括用芳香族化合物进行反应或热解。
通过用过渡金属催化剂催化石墨烯和芳香族化合物的反应，可以在石墨烯表面引入芳基官能团，增加其化学反应性和电学性质。
二、石墨烯化学改性应用的研究进展通过石墨烯化学改性，可以实现对其物理和化学性质的精确调控，从而扩大其应用范围。
1. 生物医学应用研究石墨烯化学改性后的材料具有更好的生物相容性和生物可降解性。
例如，氧化石墨烯经过PEG化改性后可以在体内通过肝脏进行有效降解。
将石墨烯氧化物与生物大分子（如DNA、蛋白质）进行配合，可以用于有效地传递DNA和制备纳米载药系统，具有很好的药物控释效果。
2. 电子和储能应用研究石墨烯经过化学改性后可以用于制备新型的电子和储能器件。
例如，将石墨烯氧化物与其他功能性纳米材料（如金属纳米粒子和碳纳米管）进行配合，制备出复合材料，可用于电池、超级电容器和光电催化剂等领域。
同时，将石墨烯表面修饰具有机功能分子可以增强其在电路中的性能和稳定性。
3. 其他应用研究石墨烯经过化学改性之后，还可以用于各种领域。
碳纳米管的制备和表征研究
碳纳米管的制备和表征研究碳纳米管是一种非常重要的纳米材料，由于其具有优异的物理和化学性质，能够广泛应用于电子、化学、生物和医学等领域，成为了当今最热门的研究课题之一。
本文将介绍碳纳米管的制备和表征研究，旨在尽可能全面深入地介绍它的相关研究进展。
一、碳纳米管的制备方法碳纳米管的制备方法主要有以下几种：1. 等离子体增强化学气相沉积法该方法先用金属作为催化剂，在氧化镁或氧化铝的载体上制备成催化剂阵列，通过引入碳源和氢气，使用等离子体的方式来生成碳纳米管。
2. 化学气相沉积法该方法将催化剂和碳源同时放置在反应器内，不用外加能量，通过化学反应来制备碳纳米管。
3. 化学还原-热解法该方法先用催化剂将氧化石墨烯还原为石墨烯，然后利用热解技术进行碳化反应，制备碳纳米管。
以上三种方法是主流的制备碳纳米管的方法，但随着研究的深入，其它方法，如水热合成法、溶液-液相界面法等也逐渐被应用于制备碳纳米管。
二、碳纳米管表征技术为了对制备的碳纳米管进行表征和刻画，研究人员开发出了各种表征技术来研究其结构和性质，下面我们来介绍一些常用的表征技术：1. 透射电子显微镜(TEM)透射电子显微镜是最常用的碳纳米管表征技术之一，通过它可以直观的获得碳纳米管的观察图像。
2. 扫描电子显微镜(SEM)与TEM不同，扫描电子显微镜可以观察到碳纳米管的表面形貌，并能够获得表面形貌的三维结构图像。
3. 拉曼光谱(Raman)拉曼光谱具有非常高的灵敏性和分辨率，能够通过对碳纳米管的拉曼光谱图像进行功率谱分析，可以获得碳纳米管的结构、相互作用和物理特性等信息。
4. X射线粉末衍射(XRD)利用X射线的衍射实验，可以得到碳纳米管的晶格结构，晶格常数以及结晶度等信息。
5. 热重分析(TGA)热重分析可以帮助我们展现出材料在温度变化下的失重信息，从而推断出碳纳米管的热稳定性和热分解温度等相关信息。
以上技术对于制备和表征碳纳米管都有非常大的帮助，不同的表征方法可以从不同角度来对碳纳米管进行综合分析，有助于我们更好地了解碳纳米管的结构和性质。
碳纳米管和石墨烯的制备和性能
碳纳米管和石墨烯的制备和性能碳纳米管和石墨烯是当今材料领域的热门研究对象。
它们具有独特的结构和性能，在电子学、化学、材料科学、能源等领域有广泛的应用前景。
那么，碳纳米管和石墨烯是如何制备的呢？它们具有哪些特殊的性能呢？一、碳纳米管的制备碳纳米管是由碳元素构成的管状结构，具有很好的导电性和机械强度。
目前，碳纳米管的制备方法主要有以下几种：1.化学气相沉积法化学气相沉积法是一种将碳原子在高温下沉积在金属催化剂表面形成碳纳米管的方法。
在这个过程中，金属催化剂通常采用铁、镍、钴等，碳源采用甲烷、乙烯、丙烯等气体。
此方法制备的碳纳米管成本低廉，但管子的成长方向难以控制，管子结构的单一性难以保证。
2.化学气相沉积-物理溅射复合法化学气相沉积-物理溅射复合法是在气相化学沉积的基础上加入物理溅射的方法。
物理溅射可以产生高能离子束，利于碳原子在金属催化剂表面形成碳纳米管。
此方法制备的碳纳米管管子结构相对单一，但管子的成长方向还是有随机性。
3.电弧重复熔化法电弧重复熔化法是一种以石墨材料为前驱体，在高温高压条件下通过电弧放电产生碳纳米管的方法。
此方法制备的碳纳米管管子结构比较规则，但成本较高。
4.化学还原法化学还原法是通过还原剂将氧化石墨烯还原为石墨烯片层中的碳原子结构之一，从而制备碳纳米管的方法。
此方法成本低廉，制备易于规模化，但管子的长度较短。
二、石墨烯的制备石墨烯是由一层碳原子单元组成的二维晶体，具有高导电性、高机械强度、微观尺度局部弯曲等重要性能。
目前，制备石墨烯的方法主要有以下几种：1.化学气相沉积法化学气相沉积法是将碳源气体在反应室中加热，在金属催化剂表面沉积石墨烯的方法。
该方法成本较低，但制备的石墨烯质量不太稳定。
2.机械剥离法机械剥离法通过机械去除石墨材料的表层，使其分解成一层层的石墨烯。
该方法虽然简单易行，但石墨烯的面积和厚度都不太容易控制。
3.化学氧化还原法化学氧化还原法是采用氧化剂氧化石墨材料，形成氧化石墨烯后，再通过还原剂还原去除氧化物的方法制备石墨烯的方法。
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。
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张梓军等.超支化聚合物修饰碳纳米管的研究进展[J].材料导报.2012，26：144-148
主要内容
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简介 碳纳米管 石墨烯
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总结
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1.简介
化学修饰
用吸附、涂敷、聚合、化 学反应等方法把活性基团 或催化物质等附着在电极 表面，保护电极或改进电 极特征功能的工艺过程。
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2
1.简介
碳纳米管（Carbon Nanotube）： 又称巴基管与石墨、金刚石一 样,也是碳的同素异构体。 无缝中空管状的碳分子，管上 每个碳原子采取sp2杂化，相互之间 碳-碳σ 键结合起来，形成由六边形 组成的蜂窝状结构作为碳纳米管的 骨架。径向为纳米级，轴向为微米 级。
沈健,黄杉生.空壳纳米钯-碳纳米管修饰的无酶葡萄糖传感器的研究[J].2012，32: 21-25
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石 墨 烯
？
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主要内容
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简介 碳纳米管 石墨烯 总结
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石墨烯
• 1. 结构性质
• 2. 制备方法 • 3.修饰改性 • 4.应用举例
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王保民等。碳纳米管的表面修饰及分散机理研究[J]. 中国矿业大学学报.2012，41：758-763
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化学修饰
⒈ WMCNTs的表面与GA长链的吸附作用， GA长链平 躺在WMCNTs表面，形成空间位阻层，分散性不好。 ⒉ 随着GA质量浓度的逐渐增加，其大量 分子自动聚集于WMCNTs表面，
旋转的碳纳米管分子示意图： 小圆球代表碳原子，它们之间 的长条形连接物代表化学键。
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/wiki/%E7%A2%B3%E7%BA%B3%E7%B1%B3%E7%AE%A1
1.简介
长度： 0.1～50μm 直径： 2～30nm 层数： 2～50 层间距： 0.34±0.01nm
形成胶束，亲水性最佳。
⒊ 浓度继续增加，胶束之间的 渗透压导致WMCNTs重新团聚。
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化学修饰
＊共价修饰
超支化聚合物具有三维球形的高度支化的分子结构，分 子间不会发生交联。具有低粘度、高流变性、良好的溶解性， 为提高CNTs的分散性提供了有利条件。
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化学修饰
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化学修饰
共价键修饰改性碳纳米管 利用氧化剂（强酸）等对碳纳米管进行化学 切割，可使CNTs开口并在其表面接枝上一定数 量的活性基团（羧基、羟基）等，再通过活性基 团与超支化大分子反应，从而实现的超支化共价 修饰。
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进展
检测血糖浓度的生物传感器，在玻碳电极表 面形成碳纳米管 / 壳聚糖膜 / 空壳纳米钯均匀致密 稳定的修饰层,制备了用于测定葡萄糖的新型无酶 传感器。该传感器可以快速地实现电极与葡萄糖 之间的直接电子转移，有良好的稳定性。
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• 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 ) ”。
无论多壁管还是单壁管都具有很高的长径比， 一般为100～1000，最高可达1000～10000， 完全可以认为是一维分子。
长度： 1～50μm 直径： 0.75～ 3nm
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主要内容
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简介 碳纳米管 石墨烯 总结
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碳纳米管
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优点：性能及应用 碳纳米管制备 缺点：化学修饰 碳纳米管的进展
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性能
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应用
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制备方法
多壁CNTs
电弧法
单壁CNTs
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聂海瑜。碳纳米管的制备[J]，塑料工业。2004，32（10）：11。
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化学修饰
化学修饰
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化学修饰
非共价键修饰利用 有效的溶剂化作用和 表面活性剂或天然生 物大分子化合物包裹 在碳纳米管外壁以增 加其溶解性。
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化学修饰
＊非共价修饰
表面活性剂 GA 由亲水性的极性基团和憎 水性的非极性基团所构成。是一种高分子长链， 混合物在两相界面间具有良好的吸附能力，且 黏度较低，分子能定向地排列于任意两相之间 的界面层中，使界面的不饱和力场得到某种程 度的补偿，从而使界面张力降低。
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• Carbon Nanotube是具有石墨结构并且按一 定规则卷曲形成的纳米级管状结构的孔状 材料。 • 石墨烯可以包裹形成零维富勒烯；它也可 以卷起来形成一维的碳纳米管；同样，它 也可以层层堆叠构成三维的石墨。
2018/11/26
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• 石墨烯是由碳原子以sp2杂化连接的单原子层构成 的，其基本结构单元为有机材料中最稳定的苯六 元环，其理论厚度仅为0.35 nm，是目前所发现的 最薄的二维材料。
• • • • •
A：氧化开管后修饰 B：侧壁共价修饰 C：侧壁非共价修饰 D：包埋功能化 E：内腔功能化
2018/1. Ed., 2002, 41, 1853.
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化学修饰
共价键修饰是在碳 米管表面上共价地连 接一些适宜的基团， 使CNTs表面和聚合物 之间产生化学键连接, 以改善其溶解度。
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化学修饰
改善多壁碳纳米管（WMCNTs）在水体系中的分散性， 以阿拉伯 胶 （ GA ） 为分散剂 （ SAA ） ，采用 SAA 超 声处理法对WMCNTs进行修饰。 通过GA分子长链的包覆改善WMCNTs的亲水性和 分散性，进而表现出对 WMCNTs 具有较好的分散稳 定性。