碳基础知识简介与应用

碳基础知识简介与应用第一页，共30页。第一节碳材料的根底知识 传统碳材料••••••(ClassicCarbons)木炭，竹炭(Charcoals)活性炭(Activatedcarbons)炭黑(Carbonblacks)焦炭(Coke)天然石墨〔Naturalgraphite〕石墨电极，炭刷•新型碳材料••••••(NewCarbons) 金刚石(Diamond) 炭纤维(carbonfibers) 石墨层间化合物(Graphite Intercalationcompounds) 柔性石墨(Flexiblegraphite) 核石墨〔Nucleargraphite〕 多孔炭(Porouscarbons)••储能用炭材料玻璃炭〔Glass-likecarbons〕

炭棒，铅笔碳纳米材料(Nanocarbons)富勒烯(Fullerenes)碳纳米管(Carbonnanotubes)纳米金刚石(Nanodiamond)石墨烯(Graphene)第二页，共30页。碳材料的开展历史 史前时期:木炭纳米碳材料纳米碳材料第三页，共30页。热解碳(Pyrocarbon)热解碳和热解石墨是一种具有特殊构造和性能的气相沉积碳。热解碳按其特性可以分为高密度的致密热解碳与低密度的疏松热解碳和各向同性与各向异性热解碳。其性能和构造取决于热解温度。800-1000℃以下热解的是热解碳,在1400-2000℃热解或更高温度下处理的叫热解石墨。热解碳的性质构造取决于其制造条件，其中以沉积温度为重。从其反响机理上说,制备热解碳要经历两个阶段:1发生炭化过程,生成焦碳和别离的挥发产物。2生成的产物降解成热解碳、水、气体。第四页，共30页。第二节碳纳米材料简介碳纳米材料：碳材料中扮演重要角色第五页，共30页。碳纳米材料——重要的碳材料碳纳米材料：是指其构造至少在一个维度上处于纳米尺度〔0.1nm——100nm〕范围内的固体超细碳材料 零维的富勒烯 一维的碳纳米管 二维的金刚石薄膜等第六页，共30页。••1985年巴基球(C60)。柯尔、克罗托和斯莫利在模拟宇宙长链碳分子的生长研究中，发现了与金刚石、石墨的无限构造不同的，具有封闭球状构造的分子C60。因此，1996年获得诺贝尔化学奖。1991年日本电气公司的S.Iijima(饭岛)在制备C60、对电弧放电后的石墨棒进展观察时，发现圆柱状沉积，空的管状物。直径0.7-30nm。Carbonnanotubes(CNTs〕碳纳米材料的开展历史第七页，共30页。1992年瑞士洛桑联邦综合工科大学的D.Ugarte等发现了巴基葱(Carbonnanoonion)；2000年，北大彭练矛研究组用电子束轰击单壁碳纳米管，发现了Ф=0.33nm的碳纳米管,但稳定性较差;2003年5月4日，日本信州大学和三井物产下属的CNRI子公司研制成功Ф=0.4nm的碳纳米管。同年，日本名古屋大学筱原久典教授制备出了纳米电缆；2004年3月下旬,中国科学院高能物理研究所赵宇亮、陈振玲、柴之芳等研究人员，利用一定能量的中子与C70分子相互作用，首次成功合成、别离、表征了单原子数目富勒烯分子C141;2004年4月30日Science杂志报道，我国科学家合成出了C50、C110(厦门大学)；2004年，英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·盖姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫，成功从石墨中别离出石墨烯；2021年，美国Rice大学的研究员制备出长度几百米的碳纳米管；2021年，安德烈·盖姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫获得诺贝尔物理奖。碳纳米材料的开展历史第八页，共30页。2021年7月-日凤凰网第九页，共30页。碳纳米材料的分类•富勒烯:碳的第四种同素异形体(金刚石、石 墨和无定形碳) –富勒烯包括：碳纳米球〔C50、C60、C70、 C76、C80、C82、C84、C90、C94等〕、碳纳米 管〔单壁和多壁碳纳米管〕、碳纳米葱 –一般富勒烯特指碳纳米球•石墨烯•纳米金刚石第十页，共30页。碳纳米管C80碳纳米材料的分类

富勒烯第十一页，共30页。纳米金刚石碳纳米材料的分类石墨烯第十二页，共30页。••••••有机化学无机化学生命科学材料科学高分子科学催化化学碳纳米材料的应用

涉及领域•••••电化学超导体与铁磁体微机械学微电子学…第十三页，共30页。第三节碳的同素异形体与构造

—从化学的角度对碳材料进展分类第十四页，共30页。3.1碳元素的特点碳元素的最大特点之一：存在着众多同素异形体。如人们熟悉的金刚石和石墨，前些年发现的卡宾〔碳宾、碳烯〕，以C60为代表的富勒烯和碳纳米管等以及最新发现的石墨烯(Graphene)。石墨烯富勒烯碳纳米管石墨金刚石第十五页，共30页。几乎可涵盖地球上所有物质的性质甚至相对立的两种性质，如从最硬到极软、全吸光到全透光、绝缘体到半导体到导体、绝热到良导热、高临界温度的超导体等。独特的电子构造原因。碳元素是六号元素，其原子最外层有四个价电子，C原子除了可以sp3杂化轨道形成单键外，还能以sp2及sp杂化轨道形成稳定的双键和叁键，可以和各种原子形成共价键，从而形成许许多多构造和性质完全不同的物质。——碳元素构成材料的特点为什么？第十六页，共30页。金刚石的人工合成、石墨层间化合物的研究、富勒烯(碳笼原子簇)及碳纳米管的发现及研究都取得了令人瞩目的进展。这些以单质碳为根底的无机碳化学给人们展现了无限的想象空间。IBM表示将开发在碳纳米管上融合一片集成电路的器件。该技术有望加快下一代芯片产品的面世。美国贝尔实验室的研究小组使用富勒烯在较高温度下(117K)制造出了电阻为零的有机超导体。3.2碳的同素异形体概述第十七页，共30页。

在学术界，一般认为碳的同素异形体包括：金刚石、石墨、碳笼原子簇和碳纳米管。

石墨，混合键型或过渡型晶体，碳原子间以sp2杂化成键；炭黑等无定形碳都是微晶石墨。

金刚石，原子晶体，碳原子间以sp3杂化成键；第十八页，共30页。单键双键三键

2S2和2P2

轨道电子杂化spn杂化ｎ=1、2、33.3碳的电子构造 碳元素的特点 原子系数为6 第二周期的 IV族 基态：1s22s22px2py 外层4个电子 半充满->稳定状态第十九页，共30页。3.3碳的电子构造碳的电子轨道第二十页，共30页。3.3碳的电子构造SP3轨道杂化金刚石正四面体空间杂化方式3个P轨道和1个S轨道第二十一页，共30页。3.3碳的电子构造碳原子的杂化轨道及其键合状况第二十二页，共30页。183.4碳的单质 sp3家族〔金刚石家族〕 金刚石 立方金刚石 六方金刚石 类金刚石立方金刚石 类金刚石第二十三页，共30页。3.3碳的电子构造•金刚石中所有的键均为

Sigma键

•石墨中除了Sigma键 之外，还有一个离域 大Pi •共有电子导电性第二十四页，共30页。3.3碳的电子构造SP2轨道杂化石墨平面空间杂化方式2个P轨道和1个S轨道第二十五页，共30页。3.3碳的电子构造—Sigma键与Pi键轨道重叠成键的方式: Sigma“头碰头〞Pi“肩并肩〞第二十六页，共30页。3.4碳的单质 sp2家族〔石墨家族〕 石墨 六方晶系石墨