碳纳米管与石墨烯

1、主要内容简介碳纳米管石墨烯总结简介用吸附、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。碳纳米管（Carbon Nano又称巴基管与石墨、 样,也是碳的同素异构体每个碳原子采取Sp2杂化| 碳-碳O键结合起来，形骨架。径向为纳米级,级。单壁碳纳米管2 30nm多壁碳纳米管长度：0150pm 直径： 一般为1001000,最长度：150pm直径：0.75简介无论多壁管还是单壁管都具有很高的长径比, 【高可达100010000, 完全可以认为是一维分子。简介碳纳米管石墨烯总结碳纳米管优点：性能及应用碳纳米管制备缺点：化学修饰碳纳米管的

2、进展高强度低密度:高比表面积热稳定性高韧性离电导化学稳定性应用碳纳米管的应用潜力u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 柔性光电/人工肌肉/智能编织y吸附和过滤材料:航空航天军工能源环境机械电子生活制备方法r喷淋法化学气相沉积法彳浮游法I基体法多壁CNTs球磨法电解法低温固体热解法扩散火焰法纳米管制备V；、单壁CNTs电弧法激光蒸发法化学气相沉积法 太阳能法E：内腔功能化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，、

3、以改善其溶解度。非共价键修饰利用V 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。J*非共价修饰表面活性剂G A由亲水性的极性基团和憎1=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。王保民等。碳纳米管的表而修饰及分散机理研究J 中国矿业大学学报.2012, 41： 758-7631. 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。2随着GA

4、质量浓度的逐渐增加，其大量分子自动聚集于WMCNTs表面, 形成胶束，亲水性最佳。3.浓度继续增加，胶束之间的亲水堆团1 of 1静电排斥(a)(h)(c)渗透压导致WMCNTs重新团聚o*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。超支化聚合物修饰的CNTs具有核壳结构，分子的壳 层高度支化，末端聚集大量的活性官能团，粘度低、溶解 性能好，分子之间无缠结，因此表现出许多线形聚合物 修饰的所不具有的特殊性能，如良好的溶解性，低溶液1=粘度，高反应活性，并且可以通过封端反应加以改性。张梓军等.

5、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_定数 量的活性基团（竣基、轻基）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。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/空壳纳米耙均匀致密 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。沈健，黄杉生空壳纳米耙碳纳米管修饰的无酶葡萄糖传感器的研究JJ.2012, 32: 21-25石墨烯

6、20简介碳纳米管石墨烯总结21 1.结构性质 2.制备方法 3 修饰改性 4 应用举例石墨烯TJ / IN ua定材 石以也按一 J孔状垃可元环，其理论厚度仅为035 nm,最薄的二维材料。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 是目前所发现的20世纪70年代,Clar等利用化学方法合成一系列具 有大共轨体系的化合物，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o2004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一

7、“石墨 烯(graphene ) ”。Clar E , Ironside C T, Zander M. J Chem. Soc. 1959 , 142-147Hendel W, Khan Z H , Schmidt W. Tetrahedron. 1986,42: 1127 1134石墨烯中的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力，就保持 了该材料结构的稳定性。同时，这种稳定的晶格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

8、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。机械方法一种典型的微机械剥离制备石墨烯方法a.利用胶带分开石 墨薄片；b逐次反复分开石墨薄片;C将足够薄的片粘 附在硅上；d压紧后揭开可以找到附着在硅上的石墨烯。A. K. Geim, P. Kim. Carbon wonderlandJ. SCIENTIFIC AMERICAN, 2008, 298 (4) : 90-972018/10/1529微机械剥离法优点：工艺简单、制备成本低和样品质量高不足：制备的石墨烯其尺寸不易控制，无法可靠地 制备岀足够长度的石墨烯取向附生法优点：单层石墨烯薄片表现令人满意不足：生产的石墨烯薄片往往厚度不均匀

9、外延生长法优点：能够制备出-2碳原子层厚的石墨烯 不足：难以获得人面积、厚度均一的石墨烯f J气积 学沉 化桶法化学方法石原 化还 氧蚤法J化学气相沉积法化学气相沉积(CVD)是反应物质在相当高的温度、 气态条件下发生化学反应，生成的固态物质沉积在 加热的固态基体表面，进而制得固体材料的工艺技 术。它本质上属于原子范畴的气态传质过程。Dato等报道了一种新型等离子体增强化学气相沉 积法，乙醇液滴作为碳源，利用Ar等离子体合成石 墨烯，极大地缩短了反应时间。Dato A , Radmilovic V , Lee Z, Phillips J , Frenklach M. Nano Lett. 20

10、08,8(7):2012-2016氧化石墨还原法化学气相沉积法优点：成本较低、高效、环保，并且能够大规模工业化生产不足：容易导致一些物理、化学性能的损失优点：可制备出而积较大的石墨烯不足：成本较高，工艺复杂为了破环石墨层间的范德华作用力，更好地实现剥 离，目前化学家们常先对氧化石墨烯进行修饰然后 再进行还原，即氧化-修饰-还原的方法。化学修饰主要包括3种：共价键修饰J非共价键修饰金属颗粒及金属离子修饰共价键修饰SDBS-wrapped GOBa.bRBrHFJ石墨烯上的疑基作为活性位点也可以与多种聚合物通过共价键结合。Lomeda J R，Doyle C D , Tour J M, et al

11、 . J Am. Chem. Soc. 2008,130 (48): 16201-16206非共价键修饰的是小 分分 散子o间的稳定的O0H石子到石非与分Xu Y X Bai H , Lu GW, Li C，Shi G Q J Am. Chem. Soc. 2008,130(18):58565857金属颗粒及金属离子修饰Samulski等用钳纳米颗粒修饰石墨烯，钳作为阻隔基团，可 降低石墨烯层间的心兀堆积作用，得到的石墨烯比表面积较 大(862m2/g)o这种钳修饰的石墨烯可以作为超级电容器 或燃料电池电极。其他金属颗粒也可用于修饰石墨烯。 铁磁性的Ni、Co、Fe等修饰后得到的复合物可屏蔽电

12、 磁干扰； Pd、Au修饰后得到的复合物可作为超灵敏的化学传感 器，用于检测巧、NO等。Si Y 6 Samulski E T. Chem. Mater. 2008，20 : 6792 6797合有等研st得质TEStaHooH饰非、修讐383N3 o?IBM的科学家们笈现，相对于单层石墨烯，双层石墨烯可将信噪 比提升10倍双层石墨烯可降低元器件电噪声美国IBM公司TJ 沃森研究 中心的科学家，最近攻克了在 利用石墨构建纳米电路方面最 令人困扰的难题，即通过将两 层石墨烯片叠加，可以将元器 件的电噪声降低10倍，由此可 以大幅改善晶体管的性能，这 将有助于制造出比硅晶体管速 度快、体积小、能耗低的石墨 烯晶体管。石墨烯在储氢/甲烷中的应用Dimitrakakis利用石墨烯和碳纳米管设计了一