碳纳米管与石墨烯

1、碳纳米管与石墨烯的化学修饰2013-12-5主要内容简介碳纳米管石墨烯总结2013-12-52013-12-5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。31.简介2013-12-552013-12-55样,也是碳的同素异构体骨架。径向为纳米级,级。碳纳米管（Carbon Nano 又称巴基管与石墨、每个碳原子采取SP?杂化; 碳-碳（7键结合起来，形1.简介单壁碳纳米管2 30nm多壁碳纳米管im长度：0150pm 負径： 长度：150um直径：075无论多壁管还是单壁管都具有很高的长径比, 一般为1001000,

2、最高可达100010000, 完全可以认为是一维分子。2013-12-55主要内容简介碳纳米管石墨烯总结2013-12-5碳纳米管2013-12-5202013-12-520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2013-12-520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2013-12-520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2013-12-520制备方法r喷淋法化学气相沉积法彳浮游法

3、I基体法多壁CNTs球磨法电解法低温固体热解法2013-12-5聂海瑜。碳纳米管的制备J,塑料工业。2004, 32 (10) : llo10扩散火焰法2013-12-5聂海瑜。碳纳米管的制备J,塑料工业。2004, 32 (10) : llo10纳米管制备V；2013-12-5聂海瑜。碳纳米管的制备J,塑料工业。2004, 32 (10) : llo102013-12-5聂海瑜。碳纳米管的制备J,塑料工业。2004, 32 (10) : llo10单壁CNTs电弧法激光蒸发法化学气相沉积法 太阳能法2013-12-5聂海瑜。碳纳米管的制备J,塑料工业。2004, 32 (10) : llo1

4、0化学修饰2013-12-519化学修饰A： B：C： D：E：氧化开管后修饰 侧壁共价修饰侧壁非共价修饰 包埋功能化 内腔功能化2013-12-5Angew. Chem. hit. Ed., 2002, 41, 1853.12化学修饰2013-12-519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。/f共价键修饰是在碳米管表面上共价地连（ H接-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。*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

5、, 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。2013-12-519化学修饰2013-12-5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： 758-76315化学修饰1. WMCNT啲表面与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W

6、MCNTs重新团聚。2013-12-519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。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，

7、可使CNTs开口并在其表面接枝上一定数 量的活性基团（竣基、径基）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。2013-12-519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,黄杉生空壳纳米锂碳纳米管修饰的无酶葡萄糖传感器的研究JJ.2012, 32: 21-252013-12-520主要内容简介碳纳米管石墨烯总结2013-12-522 1.结构性质 2.制备方法 3 修饰改性4 应用举例201

8、3-12-5石墨烯23ua定材 石以也2013-12-524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。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OSchmidt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“石墨烯(graphene ) ” oClar E , Ironside C T,

9、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O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。2013-12-529机械

10、方法2013-12-531一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片上的石墨烯。2013-12-5#A. K. Geim, P. Kim. Carbon wonderlandJ. SCIENTIFIC AMERICAN, 2008, 298 (4) : 90-972013-12-5#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外延生长法优点：能够制

11、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2013-12-533f J气积 弊沉 化桶法J化学方法石原 化还 氧酸法J2013-12-535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. Na

12、no Lett. 2008,8(7):2012-20162013-12-5372013-12-539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，工艺复杂剥后 现然 实饰 地修 好行。 更进法 九<方 前墨的 卸石原 德坤W- 再审一 鞠K 确T 破御行 了,0进 为离再化学修饰主要包括3种：共价键修饰J非共价键修饰I金属颗粒及金属离子修饰共价键修饰SDBS-wrapped GO二一 3a5ft* b R g I6a.bR-N0>R1) N；H. 卜bQpH 二1Q

13、Rg 24 hSb5 bZa.bRCHjBabRArHFJ石墨烯上的轻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 . J Am. Chem. Soc. 2008,130 (48): 16201-162062013-12-541非共价键修饰分散 小分 的是石子到 石非 与分Xu Y X Bai H , Lu GW, Li C，Shi G Q J Am. Chem. Soc. 2008,130(18):5856 5857金属颗粒及金属罔子修饰 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

14、间的肚兀堆积作用，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O 铁磁性的Ni、Co、Fe等修饰后得到的复合物可屏蔽电 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I!?、NO等。Si Y 6 Samulski E T. Chem. Mater. 2008,20 : 6792 67972013-12-543合有等研具基家 样竣学 4UU LHN339双层石墨烯可降低元器件电噪声美国IBM公司T J 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倍烯晶体管。2013-12-540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 一个三维储氢模 型，如果这种材料掺入锂离子，其在常压下储氢能力可以达 到41g/L。因此，石墨烯这种新材料的出现，为人们对储氢 /甲烷材料的设计提供了一种新的思