碳纳米管和石墨烯简介.ppt

A brief introduction of应化应化0902张一恒张一恒1碳纳米管碳纳米管 碳纳米管是在碳纳米管是在1991年年1月由日本筑波月由日本筑波NEC实验室实验室的物理学家饭岛澄男使用高分辨率分析电镜从电弧法生产的物理学家饭岛澄男使用高分辨率分析电镜从电弧法生产的碳纤维中发现的。它是一种管状的碳分子，管上每个碳的碳纤维中发现的。它是一种管状的碳分子，管上每个碳原子采取原子采取SP2杂化，相互之间以碳杂化，相互之间以碳-碳碳键结合起来，形成键结合起来，形成由六边形组成的蜂窝状结构作为碳纳米管的骨架。每个碳由六边形组成的蜂窝状结构作为碳纳米管的骨架。每个碳原子上未参与杂化的一对原子上未参与杂化的一对p电子相互之间形成跨越整个碳电子相互之间形成跨越整个碳纳米管的共轭纳米管的共轭电子云。按照管子的层数不同，分为单壁电子云。按照管子的层数不同，分为单壁碳纳米管和多壁碳纳米管。管子的半径方向非常细，只有碳纳米管和多壁碳纳米管。管子的半径方向非常细，只有纳米尺度，几万根碳纳米管并起来也只有一根头发丝宽，纳米尺度，几万根碳纳米管并起来也只有一根头发丝宽，碳纳米管的名称也因此而来。而在轴向则可长达数十到数碳纳米管的名称也因此而来。而在轴向则可长达数十到数百微米。百微米。碳纳米管不总是笔直的，局部可能出现凹凸的现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。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。的封口。出现七边形的地方碳纳米管则向内凹进。2碳纳米管的制备碳纳米管的制备 电弧法电弧法 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。缺点缺点：温度不易控制导致碳纳米管缺陷多；副产物多不易后期的分离提纯。激光激光蒸发蒸发 这种方法是制备单壁纳米碳管的一种有效方法。用高能CO2激光或Nd/YAG激光蒸发掺有Fe、Co、Ni或其他合金的碳靶制备单壁纳米碳管。管径可以由激光脉冲来控制。研究发现，激光脉冲间隔时间越短，得到的单壁碳纳米产量越高，而且单壁碳纳米管的结构并不受激光脉冲间隔时间的影响。而且用这种CO2激光蒸发法，在室温下就可以得到单壁碳纳米管。缺点：缺点：单壁碳纳米管的纯度较低、易粘结。有机气体催化裂解有机气体催化裂解 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。缺点：缺点：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。3碳纳米管的性能碳纳米管的性能优异的力学性能：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。奇异的导电性能：奇异的导电性能：碳纳米管上碳原子的P电子形成大范围的离域键，由于共轭效应显著，碳纳米管具有一些特殊的电学性质。理论预测其导电性能取决于其管径和管壁的螺旋角。日本在全球首次成功开发了将有机分子插入碳纳米管内部，从而控制其导电性。通过改变插入碳纳米管内部的有机分子的种类和数量，可以高精度的控制纳米管上的电流和导电率，这种电气性质的改变将会对未来微电子技术带来巨大影响。良好的热学性能：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。优优良的良的储氢储氢性能性能：l碳纳米管的中空结构，以及较石墨(0335nm)略大的层间距(O343nm)，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1625mAh/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。4碳纳米管的应用碳纳米管的应用5碳纳米管的应用碳纳米管的应用这种新型碳纳米管这种新型碳纳米管“橡胶橡胶”其其实是一种名为粘弹性物质传统材料，实是一种名为粘弹性物质传统材料，它的外表看起来很像泡沫耳塞，又它的外表看起来很像泡沫耳塞，又像普通的橡皮擦。这种材料无论被像普通的橡皮擦。这种材料无论被怎样扭曲、拉伸，弯曲，甚至被穿怎样扭曲、拉伸，弯曲，甚至被穿透，到最后都会恢复到原始状态。透，到最后都会恢复到原始状态。它能抗低温，例如木星最大卫星它能抗低温，例如木星最大卫星“泰坦泰坦”上的低温；耐高温，例如在上的低温；耐高温，例如在宇宙中近距离接近太阳时的高温，宇宙中近距离接近太阳时的高温，如果将它作为宇宙飞船的制作材料，如果将它作为宇宙飞船的制作材料，那么人类的宇宙飞船将会那么人类的宇宙飞船将会“所向披所向披靡靡”。任何极端温度下都不会损坏的特殊的任何极端温度下都不会损坏的特殊的“钢筋铁骨橡胶钢筋铁骨橡胶”6碳纳米管的应用碳纳米管的应用这种材料可以像橡胶一样拉伸这种材料可以像橡胶一样拉伸延展，最大可以延展至原始尺寸的延展，最大可以延展至原始尺寸的1.7倍，而不会影响任何的性能。这倍，而不会影响任何的性能。这款材料的奥秘在于其中整合了新型款材料的奥秘在于其中整合了新型的碳纳米管聚合物。这种材料还可的碳纳米管聚合物。这种材料还可以被应用于机器人领域，用来制造以被应用于机器人领域，用来制造电子皮肤，从而使机器人获得更为电子皮肤，从而使机器人获得更为敏感的触觉。敏感的触觉。7碳纳米管的应用碳纳米管的应用纳米金属催化剂纳米金属催化剂载体载体,利用碳纳米管的利用碳纳米管的高比表面及良好的吸氢高比表面及良好的吸氢能力，成功制备了负载能力，成功制备了负载Pt纳米粒子的高效加纳米粒子的高效加氢催化剂。氢催化剂。8碳纳米管的应用碳纳米管的应用一项最新研究表明，单壁碳纳米管能够严重破坏大一项最新研究表明，单壁碳纳米管能够严重破坏大肠杆菌等细菌的细胞壁，从而将其杀灭。将有助于解决肠杆菌等细菌的细胞壁，从而将其杀灭。将有助于解决细菌抗药性这一日益突现的问题细菌抗药性这一日益突现的问题。无碳纳米管（左）和有碳纳米管（右）无碳纳米管（左）和有碳纳米管（右）情况下的大肠杆菌对比照片情况下的大肠杆菌对比照片9碳纳米管的应用碳纳米管的应用注射碳纳米管可杀灭癌细胞注射碳纳米管可杀灭癌细胞美国科学家找到一种破坏癌细胞的新方法，美国科学家找到一种破坏癌细胞的新方法，即先向癌细胞注射碳纳米管，然后用无线电波即先向癌细胞注射碳纳米管，然后用无线电波进行摧毁。研究人员向兔子的肝脏肿瘤细胞注进行摧毁。研究人员向兔子的肝脏肿瘤细胞注射碳纳米管，用无线电波对碳进行加热，结果射碳纳米管，用无线电波对碳进行加热，结果成功地杀灭了癌细胞，而对附近的健康细胞只成功地杀灭了癌细胞，而对附近的健康细胞只造成了很少量的伤害。这一研究尚处在初步阶造成了很少量的伤害。这一研究尚处在初步阶段，还需要段，还需要3-4年的时间才能进行临床试验。而年的时间才能进行临床试验。而他们的目的是创造出能够检出癌细胞的纳米颗他们的目的是创造出能够检出癌细胞的纳米颗粒，能够选择性地渗透进癌细胞中，而不需要粒，能够选择性地渗透进癌细胞中，而不需要人工将它们注射进去。人工将它们注射进去。10碳纳米管研究面临的问题和前景碳纳米管研究面临的问题和前景 目前，各国在实验上对碳纳米管的研究方兴未艾，并都取得了一定的成就，目前，各国在实验上对碳纳米管的研究方兴未艾，并都取得了一定的成就，美国发明了纳米秤，日本制成了铂填充的碳纳米管，德国制备出直径为美国发明了纳米秤，日本制成了铂填充的碳纳米管，德国制备出直径为lnm的碳的碳纳米管。我国个别研究成果虽然走在了世界最前沿，如合成出世界最长的碳纳米纳米管。我国个别研究成果虽然走在了世界最前沿，如合成出世界最长的碳纳米管、高质量碳纳米管储氢的研究等。管、高质量碳纳米管储氢的研究等。各国主要面临以下两个共同问题，使得碳纳米管不能真正得到工业应用。各国主要面临以下两个共同问题，使得碳纳米管不能真正得到工业应用。如何实现高质量碳纳米管的连续批量工业化生产。如何实现高质量碳纳米管的连续批量工业化生产。如何更深入研究碳纳米管实际应用问题。如何更深入研究碳纳米管实际应用问题。我们我们也也应该看到，目前所得到的碳纳米管缺陷较多，且不易分散，这大大应该看到，目前所得到的碳纳米管缺陷较多，且不易分散，这大大限制了碳纳米管的性质研究和应用研究。所以对碳纳米管制备方法的研究显得尤限制了碳纳米管的性质研究和应用研究。所以对碳纳米管制备方法的研究显得尤为重要。另外，纳米尺寸的测量手段也须进一步加强。总之，随着碳纳米管研究为重要。另外，纳米尺寸的测量手段也须进一步加强。总之，随着碳纳米管研究的逐步深入以及纳米科技的快速发展，纳米碳材料将会对全世界的科学和经济产的逐步深入以及纳米科技的快速发展，纳米碳材料将会对全世界的科学和经济产生重大的影响。生重大的影响。112024/5/21 周二周二12石墨烯石墨烯 石墨烯（石墨烯（Graphene）是一种由碳原子以）是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一个杂化轨道组成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材料。石墨烯一直被认为是假设性的碳原子厚度的二维材料。石墨烯一直被认为是假设性的结构，无法单独稳定存在，直至结构，无法单独稳定存在，直至2004年，英国曼彻斯年，英国曼彻斯特大学物理学家安德烈特大学物理学家安德烈海姆和康斯坦丁海姆和康斯坦丁诺沃肖洛夫，诺沃肖洛夫，成功地在实验中从石墨中分离出石墨烯，而证实它可以成功地在实验中从石墨中分离出石墨烯，而证实它可以单独存在，两人也因单独存在，两人也因“在二维石墨烯材料的开创性实验在二维石墨烯材料的开创性实验”为由，共同获得为由，共同获得2010年诺贝尔物理学奖。年诺贝尔物理学奖。石墨烯目前是世上最薄却也是最坚硬的纳米材石墨烯目前是世上最薄却也是最坚硬的纳米材料，它几乎是完全透明的，只吸收料，它几乎是完全透明的，只吸收2.3%的光的光；导热；导热系数高达系数高达5300 W/mK，高于碳纳米管和金刚石，常，高于碳纳米管和金刚石，常温下其电子迁移率超过温下其电子迁移率超过15000 cm2/Vs，又比纳米，又比纳米碳管或硅晶体高，而电阻率只约碳管或硅晶体高，而电阻率只约10-6cm，比铜或银，比铜或银更低，为目前世上电阻率最小的材料。因为它的电阻率更低，为目前世上电阻率最小的材料。因为它的电阻率极低，电子跑的速度极快，因此被期待可用来发展出更极低，电子跑的速度极快，因此被期待可用来发展出更薄、导电速度更快的新一代电子元件或晶体管。由于石薄、导电速度更快的新一代电子元件或晶体管。由于石墨烯实质上是一种透明、良好的导体，也适合用来制造墨烯实质上是一种透明、良好的导体，也适合用来制造透明触控屏幕、光板、甚至是太阳能电池。透明触控屏幕、光板、甚至是太阳能电池。13石墨烯的制备石墨烯的制备1.撕胶撕胶带法法/轻微摩擦法微摩擦法2.碳化硅表面外延生碳化硅表面外延生长3.金属表面生金属表面生长4.肼还原法原法5.乙氧乙氧钠裂解裂解6.切割碳切割碳纳米管法米管法7.氧化减薄石墨片法氧化减薄石墨片法14石墨烯的性质石墨烯的性质电子子传输在室温状况，石墨烯具有惊人的高电子迁移率（electron mobility），其数值超过15,000 cm2V1s1石墨烯可能是制造量子计算机所需要的任意子元件的合适材料光学性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饱和吸收和吸收异常量子异常量子霍霍尔效效应电子性子性质原子原子结构构15石墨烯的应用石墨烯的应用 传感器：传感器：石墨烯出现以后，研究者发现石墨烯为石墨烯出现以后，研究者发现石墨烯为电子传输提供了二维环境和在边缘部分快速多电子传输提供了二维环境和在边缘部分快速多相电子转移，这使它成为电化学生物传感器的相电子转移，这使它成为电化学生物传感器的理想材料。理想材料。采用低温热退火的方法制备的石墨烯作采用低温热退火的方法制备的石墨烯作为传感器的电极材料，在室温下可以检测到低为传感器的电极材料，在室温下可以检测到低浓度浓度NO2，如果进一步提高石墨烯的质量，则，如果进一步提高石墨烯的质量，则会提高传感器对气体检测的灵敏度。石墨烯在会提高传感器对气体检测的灵敏度。石墨烯在传感器方面表现出不同于其它材料的潜能，使传感器方面表现出不同于其它材料的潜能，使越来越多的医学家关注它，目前石墨烯还被用越来越多的医学家关注它，目前石墨烯还被用于医学上检测多巴胺、葡萄糖等。于医学上检测多巴胺、葡萄糖等。16石墨烯的应用石墨烯的应用透明电极：透明电极：工业上已经商业化的透明薄膜材料是氧化工业上已经商业化的透明薄膜材料是氧化铟锡铟锡(ITO)，由于铟元素在地球上的含量有，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，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。业化铺平了道路。Mullen研究组通过浸渍涂研究组通过浸渍涂布法沉积被热退火还原的石墨烯，薄膜电阻为布法沉积被热退火还原的石墨烯，薄膜电阻为900 ，透光率为，透光率为70，薄膜被做成了染料，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太阳能电池的正极，太阳能电池的能量转化效率为率为026。2009年，该研究组采用乙炔年，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做还原气和碳源，采用高温还原方法制备了高电导率电导率(1425Scm)的石墨烯，为石墨烯的石墨烯，为石墨烯作为导电玻璃的替代材料提供了可能。作为导电玻璃的替代材料提供了可能。17石墨烯的应用石墨烯的应用超级电容器：超级电容器：超级电容器是一个高效储存和传递超级电容器是一个高效储存和传递能量的体系，它具有功率密度大，容量能量的体系，它具有功率密度大，容量大，使用寿命长，经济环保等优点，被大，使用寿命长，经济环保等优点，被广泛应用于各种电源供应场所。石墨烯广泛应用于各种电源供应场所。石墨烯拥有高的比表面积和高的电导率，不像拥有高的比表面积和高的电导率，不像多孑多孑L碳材料电极要依赖孔的分布，这使碳材料电极要依赖孔的分布，这使它成为最有潜力的电极材料。以石墨烯它成为最有潜力的电极材料。以石墨烯为电极材料制备的超级电容器功率密度为电极材料制备的超级电容器功率密度为为10kWkg，能量密度为，能量密度为285Whkg，最大比电容为，最大比电容为205Fg，而且经，而且经过过1200次循环充放电测试后还保留次循环充放电测试后还保留90的比电容，拥有较长的循环寿命。石的比电容，拥有较长的循环寿命。石墨烯在超级电容器方面的潜在应用受到墨烯在超级电容器方面的潜在应用受到更多的研究者关注。更多的研究者关注。18石墨烯的应用石墨烯的应用能源存储：能源存储：众所周知，材料吸附氢气量和其比众所周知，材料吸附氢气量和其比表面积成正比，石墨烯拥有质量轻、高表面积成正比，石墨烯拥有质量轻、高化学稳定性和高比表面积的优点，使其化学稳定性和高比表面积的优点，使其成为储氢材料的最佳候选者。希腊大学成为储氢材料的最佳候选者。希腊大学Froudakis等设计了新型等设计了新型3D碳材料，碳材料，孔径尺寸可调，他们将其称为石墨烯柱。孔径尺寸可调，他们将其称为石墨烯柱。当这种新型碳材料掺杂了锂原子时，石当这种新型碳材料掺杂了锂原子时，石墨烯柱的储氢量可达到墨烯柱的储氢量可达到61(wt)。Ataca等用钙原子等用钙原子(Ca)掺杂石墨烯，利掺杂石墨烯，利用第一性原理和从头算起的方法得到石用第一性原理和从头算起的方法得到石墨烯被墨烯被Ca原子掺杂后储氢量约为原子掺杂后储氢量约为84(wt)；他们还发现氢分子的键能适合在；他们还发现氢分子的键能适合在室温下吸放氢，室温下吸放氢，Ca会留在石墨烯表面，会留在石墨烯表面，有利于循环使用。有利于循环使用。19石墨烯的应用石墨烯的应用 抗菌物质抗菌物质：中国科学院上海分院中国科学院上海分院的科学家发现石墨烯氧化物的科学家发现石墨烯氧化物对于抑制大肠杆菌的生长超对于抑制大肠杆菌的生长超级有效，而且不会伤害到人级有效，而且不会伤害到人体细胞。假若石墨烯氧化物体细胞。假若石墨烯氧化物对其他细菌也具有抗菌性，对其他细菌也具有抗菌性，则可能找到一系列新的应用，则可能找到一系列新的应用，像自动除去气味的鞋子，或像自动除去气味的鞋子，或保存食品新鲜的包装保存食品新鲜的包装20石墨烯的前景石墨烯的前景 在短短的几年间，石墨烯从一个新生儿快速成长为科学界的新星，在短短的几年间，石墨烯从一个新生儿快速成长为科学界的新星，自身优异的性能渐渐被发掘和开发，但在石墨烯的研究与应用中仍然存在自身优异的性能渐渐被发掘和开发，但在石墨烯的研究与应用中仍然存在很多挑战：很多挑战：第一，如大规模制备高质量石墨烯；第一，如大规模制备高质量石墨烯；第二，石墨烯的很多性质尚不清楚，如电子性能，磁性等；第二，石墨烯的很多性质尚不清楚，如电子性能，磁性等；第三，探索石墨烯新的应用领域，目前最有前景的应用有晶体管、第三，探索石墨烯新的应用领域，目前最有前景的应用有晶体管、太阳能电池和传感器等，不同的应用领域对石墨烯的要求也不同；第四，太阳能电池和传感器等，不同的应用领域对石墨烯的要求也不同；第四，开拓石墨烯和其它学科的叉领域，探索石墨烯功能化的新性能。目前有机开拓石墨烯和其它学科的叉领域，探索石墨烯功能化的新性能。目前有机化学家和材料化学家二者结合，致于找到更好的合成路线，制备高质量的化学家和材料化学家二者结合，致于找到更好的合成路线，制备高质量的石墨烯。工程师们也在为开发石墨烯的各种异的性能而制备更好的器件努石墨烯。工程师们也在为开发石墨烯的各种异的性能而制备更好的器件努力。石墨烯作为很多领域非常有潜力的替代材料，还在很多问题，有待进力。石墨烯作为很多领域非常有潜力的替代材料，还在很多问题，有待进一步深入研究。一步深入研究。21222024/5/21 周二周二23