碳基礎(chǔ)知識(shí)簡(jiǎn)介與應(yīng)用第一頁，共30頁。第一節(jié)碳材料的根底知識(shí) 傳統(tǒng)碳材料??????(ClassicCarbons)木炭，竹炭(Charcoals)活性炭(Activatedcarbons)炭黑(Carbonblacks)焦炭(Coke)天然石墨〔Naturalgraphite〕石墨電極，炭刷?新型碳材料??????(NewCarbons) 金剛石(Diamond) 炭纖維(carbonfibers) 石墨層間化合物(Graphite Intercalationcompounds) 柔性石墨(Flexiblegraphite) 核石墨〔Nucleargraphite〕 多孔炭(Porouscarbons)??儲(chǔ)能用炭材料玻璃炭〔Glass-likecarbons〕

炭棒，鉛筆碳納米材料(Nanocarbons)富勒烯(Fullerenes)碳納米管(Carbonnanotubes)納米金剛石(Nanodiamond)石墨烯(Graphene)第二頁，共30頁。碳材料的開展歷史 史前時(shí)期:木炭納米碳材料納米碳材料第三頁，共30頁。熱解碳(Pyrocarbon)熱解碳和熱解石墨是一種具有特殊構(gòu)造和性能的氣相沉積碳。熱解碳按其特性可以分為高密度的致密熱解碳與低密度的疏松熱解碳和各向同性與各向異性熱解碳。其性能和構(gòu)造取決于熱解溫度。800-1000℃以下熱解的是熱解碳,在1400-2000℃熱解或更高溫度下處理的叫熱解石墨。熱解碳的性質(zhì)構(gòu)造取決于其制造條件，其中以沉積溫度為重。從其反響機(jī)理上說,制備熱解碳要經(jīng)歷兩個(gè)階段:1發(fā)生炭化過程,生成焦碳和別離的揮發(fā)產(chǎn)物。2生成的產(chǎn)物降解成熱解碳、水、氣體。第四頁，共30頁。第二節(jié)碳納米材料簡(jiǎn)介碳納米材料：碳材料中扮演重要角色第五頁，共30頁。碳納米材料——重要的碳材料碳納米材料：是指其構(gòu)造至少在一個(gè)維度上處于納米尺度〔0.1nm——100nm〕范圍內(nèi)的固體超細(xì)碳材料 零維的富勒烯 一維的碳納米管 二維的金剛石薄膜等第六頁，共30頁。??1985年巴基球(C60)?？聽?、克羅托和斯莫利在模擬宇宙長(zhǎng)鏈碳分子的生長(zhǎng)研究中，發(fā)現(xiàn)了與金剛石、石墨的無限構(gòu)造不同的，具有封閉球狀構(gòu)造的分子C60。因此，1996年獲得諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。1991年日本電氣公司的S.Iijima(飯島)在制備C60、對(duì)電弧放電后的石墨棒進(jìn)展觀察時(shí)，發(fā)現(xiàn)圓柱狀沉積，空的管狀物。直徑0.7-30nm。Carbonnanotubes(CNTs〕碳納米材料的開展歷史第七頁，共30頁。1992年瑞士洛桑聯(lián)邦綜合工科大學(xué)的D.Ugarte等發(fā)現(xiàn)了巴基蔥(Carbonnanoonion)；2000年，北大彭練矛研究組用電子束轟擊單壁碳納米管，發(fā)現(xiàn)了Ф=0.33nm的碳納米管,但穩(wěn)定性較差;2003年5月4日，日本信州大學(xué)和三井物產(chǎn)下屬的CNRI子公司研制成功Ф=0.4nm的碳納米管。同年，日本名古屋大學(xué)筱原久典教授制備出了納米電纜；2004年3月下旬,中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所趙宇亮、陳振玲、柴之芳等研究人員，利用一定能量的中子與C70分子相互作用，首次成功合成、別離、表征了單原子數(shù)目富勒烯分子C141;2004年4月30日Science雜志報(bào)道，我國(guó)科學(xué)家合成出了C50、C110(廈門大學(xué))；2004年，英國(guó)曼徹斯特大學(xué)物理學(xué)家安德烈·蓋姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫，成功從石墨中別離出石墨烯；2021年，美國(guó)Rice大學(xué)的研究員制備出長(zhǎng)度幾百米的碳納米管；2021年，安德烈·蓋姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫獲得諾貝爾物理獎(jiǎng)。碳納米材料的開展歷史第八頁，共30頁。2021年7月-日鳳凰網(wǎng)第九頁，共30頁。碳納米材料的分類?富勒烯:碳的第四種同素異形體(金剛石、石 墨和無定形碳) –富勒烯包括：碳納米球〔C50、C60、C70、 C76、C80、C82、C84、C90、C94等〕、碳納米 管〔單壁和多壁碳納米管〕、碳納米蔥 –一般富勒烯特指碳納米球?石墨烯?納米金剛石第十頁，共30頁。碳納米管C80碳納米材料的分類

富勒烯第十一頁，共30頁。納米金剛石碳納米材料的分類石墨烯第十二頁，共30頁。??????有機(jī)化學(xué)無機(jī)化學(xué)生命科學(xué)材料科學(xué)高分子科學(xué)催化化學(xué)碳納米材料的應(yīng)用

涉及領(lǐng)域?????電化學(xué)超導(dǎo)體與鐵磁體微機(jī)械學(xué)微電子學(xué)…第十三頁，共30頁。第三節(jié)碳的同素異形體與構(gòu)造

—從化學(xué)的角度對(duì)碳材料進(jìn)展分類第十四頁，共30頁。3.1碳元素的特點(diǎn)碳元素的最大特點(diǎn)之一：存在著眾多同素異形體。如人們熟悉的金剛石和石墨，前些年發(fā)現(xiàn)的卡賓〔碳賓、碳烯〕，以C60為代表的富勒烯和碳納米管等以及最新發(fā)現(xiàn)的石墨烯(Graphene)。石墨烯富勒烯碳納米管石墨金剛石第十五頁，共30頁。幾乎可涵蓋地球上所有物質(zhì)的性質(zhì)甚至相對(duì)立的兩種性質(zhì)，如從最硬到極軟、全吸光到全透光、絕緣體到半導(dǎo)體到導(dǎo)體、絕熱到良導(dǎo)熱、高臨界溫度的超導(dǎo)體等。獨(dú)特的電子構(gòu)造原因。碳元素是六號(hào)元素，其原子最外層有四個(gè)價(jià)電子，C原子除了可以sp3雜化軌道形成單鍵外，還能以sp2及sp雜化軌道形成穩(wěn)定的雙鍵和叁鍵，可以和各種原子形成共價(jià)鍵，從而形成許許多多構(gòu)造和性質(zhì)完全不同的物質(zhì)?！荚貥?gòu)成材料的特點(diǎn)為什么？第十六頁，共30頁。金剛石的人工合成、石墨層間化合物的研究、富勒烯(碳籠原子簇)及碳納米管的發(fā)現(xiàn)及研究都取得了令人矚目的進(jìn)展。這些以單質(zhì)碳為根底的無機(jī)碳化學(xué)給人們展現(xiàn)了無限的想象空間。IBM表示將開發(fā)在碳納米管上融合一片集成電路的器件。該技術(shù)有望加快下一代芯片產(chǎn)品的面世。美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室的研究小組使用富勒烯在較高溫度下(117K)制造出了電阻為零的有機(jī)超導(dǎo)體。3.2碳的同素異形體概述第十七頁，共30頁。

在學(xué)術(shù)界，一般認(rèn)為碳的同素異形體包括：金剛石、石墨、碳籠原子簇和碳納米管。

石墨，混合鍵型或過渡型晶體，碳原子間以sp2雜化成鍵；炭黑等無定形碳都是微晶石墨。

金剛石，原子晶體，碳原子間以sp3雜化成鍵；第十八頁，共30頁。單鍵雙鍵三鍵

2S2和2P2

軌道電子雜化spn雜化ｎ=1、2、33.3碳的電子構(gòu)造 碳元素的特點(diǎn) 原子系數(shù)為6 第二周期的 IV族 基態(tài)：1s22s22px2py 外層4個(gè)電子 半充滿->穩(wěn)定狀態(tài)第十九頁，共30頁。3.3碳的電子構(gòu)造碳的電子軌道第二十頁，共30頁。3.3碳的電子構(gòu)造SP3軌道雜化金剛石正四面體空間雜化方式3個(gè)P軌道和1個(gè)S軌道第二十一頁，共30頁。3.3碳的電子構(gòu)造碳原子的雜化軌道及其鍵合狀況第二十二頁，共30頁。183.4碳的單質(zhì) sp3家族〔金剛石家族〕 金剛石 立方金剛石 六方金剛石 類金剛石立方金剛石 類金剛石第二十三頁，共30頁。3.3碳的電子構(gòu)造?金剛石中所有的鍵均為

Sigma鍵

?石墨中除了Sigma鍵 之外，還有一個(gè)離域 大Pi ?共有電子導(dǎo)電性第二十四頁，共30頁。3.3碳的電子構(gòu)造SP2軌道雜化石墨平面空間雜化方式2個(gè)P軌道和1個(gè)S軌道第二十五頁，共30頁。3.3碳的電子構(gòu)造—Sigma鍵與Pi鍵軌道重疊成鍵的方式: Sigma“頭碰頭〞Pi“肩并肩〞第二十六頁，共30頁。3.4碳的單質(zhì) sp2家族〔石墨家族〕 石墨 六方晶系石墨