纳米材料导论PPT课件

碳的同素异形体“相”图
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碳纳米材料的结构和化学键
存在各种形态的原因——化学键
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• 碳原子的核外电子层结构: 1s22s22p2 • 可能的三种杂化形式：sp、sp2和sp3（spn杂化） • 以共价键方式结合：单键, 双键和叁键 • 原子可按链型、环形、网状等互相形成各类结构碳材料
富勒烯（或者巴基球，C60 ， 足球烯的结构） /collec tion/buckyball/chrisb%201 .0/buckyball.htm
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C60的结构
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C60属于碳簇（Carbon Cluster）分子， 由20个正六边形和12个正五边形组成的球状32面体，直
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石墨及其结构
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o石墨的结构早在1917年就已经 被Debye, Scherrer, Grimm, Otto, 和Bernal等人标定证明了。
o石墨的基本组成单元为石墨烯 （graphene）
o在石墨烯中，每个碳原子都占 据一个六边形的顶角。由于sp2 杂化，每个碳原子都有三个 σ 键。键的沿着六边形的边方向 与邻近三个原子相连，组成一 个二维的原子面
2．苯燃烧法
1991年Howard等在含Ar的氧气中燃烧苯， 燃烧1kg苯得到3gC60和C70混合物，富勒烯产 率随燃烧条件不同而有所变化。
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3．电弧放电法
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电弧是一种气体放电现象。通过两石墨电极之间的放电，可 产生高于4000℃的高温，使阳极石墨蒸发，而阴极温度低 于石墨蒸发温度。在充有氦气（压力约为13.3kPa）的放电 室内，被蒸发的碳原子及碳原子团簇在冷凝时，形成含有富 勒烯的烟灰。
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4．C60的分离与提纯
C60可以在许多有机溶剂中溶解，如甲苯、苯、乙烷、 二硫化碳等，其中在甲苯、苯、及二硫化碳中的溶解 度较大。
将含有C60/C70的黑色烟灰溶于苯，溶液由于浓度差异 呈不同程度的红色。将红色溶液与黑色烟灰分离，经 加热干燥后得到黑色或暗棕色的结晶固体。 C60/C70晶体形貌呈现棒状、片状或星形片状，大 多数为规则的多边形，如四边形、五边形和六边形晶 体。在光学显微镜下，C60/C70的薄片结晶体呈棕黄色。 根据结晶条件，C60单晶体的尺寸从nm到mm，一般 在m量级。采用液相法及气相传输法生长的C60单晶 体长度可达mm量级。
4) 化学稳定性：石墨在常温下有良好的化学稳定性，能耐酸、耐碱和耐有 机溶剂的腐蚀。
5) 可塑性：石墨的韧性好，可碾成很薄的薄片。
6) 抗热震性：石墨在常温下使用时能经受住温度的剧烈变化而不致破坏， 温度突变时，石墨的体积变化不大，不会产生裂纹。
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石墨的用途
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1990年，德国科学家Huffman和Kratshmer通过在氦气中 使石墨电弧放电蒸发制备出了足够多的C60从而证实了C60分 子的存在。1996年，英国人Kroto、美国人Smalley和Kurl 因此荣获了诺贝尔化学奖。
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建筑师富勒的设计之一 /ARCHITE CT/ARCH-Fuller.htm
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C60的性能与应用
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最早探测到C60存在是采用质谱检测，此外，核磁共振、 拉曼谱、X射线衍射及扫描隧道显微镜等均可检测到C60分 子。
C60分子比较稳定，C60晶体升华温度为400℃,296K时C60 单晶体的热导率为0.4W/（m.k）。C60分子可与许多金 属原子形成金属化合物，金属原子位于C60的笼子中，如 La@C60，符号＠表示包裹关系，现在已可制得裹有La、 K、Na、Cs、Sc、Ti、Y、Zr、Sm、Eu、Gd、Tb、Ho、 Th、U等金属原子的富勒烯，在富勒烯笼内裹有一个或两 个甚至三个金属原子。内部含有氦原子和氖原子的富勒烯 也已被发现，每106个C60分子中约有一个C60包裹有一个 氦原子，惰性气体氦一般不同任何元素发生化学反应， He@C60的发现是极为罕见的化学反应现象。
and graphene
C60 1985发现 1996获奖
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提纲
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第一节 碳，纳米材料中不可或缺的一员 第二节 金刚石，富勒烯C60 (Diamond &
Fullerene) 第三节 碳纳米管 (Carbon nanotube, or CNT) 第四节 石墨烯 (Graphene)
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金刚石及其结构
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金刚石，就是具有 “金刚石结构”的碳 原子单晶
立体网状结构，由两 套面心立方嵌套而成
碳原子sp3杂化，与 最近邻的三个原子成 键形成正四面体
世界上最大的蓝钻，希望之心 （泰坦尼克号）
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金刚石的物理性质
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本章只讨论碳单质纳米材料
4ห้องสมุดไป่ตู้
单质碳纳米材料的分类
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富勒烯，或巴基球（C50 、 C60 、C70、 C76、C80、C82、C84、C90、C94等）
碳纳米管（单壁，多壁） 洋葱碳及其相关结构 纳米金刚石 金刚石薄膜
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碳的同素异性体
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纳米材料导论
主讲教师：丁秉钧
西安交通大学，理学院
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第八章 碳纳米材料
——纳米材料中的变脸
Graphene 2004制备 2010获奖
3/26/2020
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此外，在富勒烯球形结构外添加其它化学基团，即XI’CAN J6IA0OT和ONG UNIVERSITY 这些化学基团结合形成化合物，如（CH3）nC60等。
C60晶体是面心立方晶体结构，在其四面体和八面体间隙 位置可以掺加入碱金属原子，形成MXC60晶体，如K3C60、 Cs2RbC60。1991年美国贝尔实验室研究人员发现C60和 碱金属形成的化合物具有超导性，K3C60超导临界温度 ＝ 18K，Cs2RbC60的 ＝33K。
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石墨的成因和产状
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天然石墨：石墨是在高温下形成。分布最广是石墨的变质矿 床，系由富含有机质或碳质的沉积岩经区域变质作用而成。 天然石墨主要分布于： 中国：山东省莱西市为我国石墨重要产地之一,石墨探 明储量687.11万吨，现保有储量639.93万吨。 世界：著名产地：纽约Ticonderoga，马达加斯加和 Ceylon，我国以黑龙江鸡西市柳毛为最大的产地。
人造石墨，也就是特种石墨。按其成型的方式可分为以下几 种。 ❖ 等静压石墨。 ❖ 模压石墨 ❖ 挤压石墨，多为电极材料。
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石墨的物理性质
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1) 耐高温型：石墨的熔点为3850±50℃，沸点为4250℃，石墨强度随温 度提高而加强。热膨胀系数也很小。
C60有48个碳原子和金刚石一样是SP3杂化，这48个碳原 子的空间排列接近于金刚石中碳原子的空间排列。法国的 研究人员采用快速和非等静水压的压缩方法，在20GPa左 右的超高压下发现了C60晶体向金刚石的转变。富勒烯从 发现至今，引起了全世界各个学科的科学家们的极大兴趣， 对富勒烯的形成机制以及性能进行了大量的探索研究。对 其潜在的应用也在不断的探索之中。
Smalley和Kroto等分析认为C60分子是个足球的样子，由 12个五元环和20个六元环组成的球状分子，其60个顶点由 碳原子占据。为了纪念美国建筑师Buckminster Fuller设 计圆穹屋顶，感谢他在为解开C60分子结构之谜提供的帮助， 他们决定命名C60为Buckminster Fullerene简称 fullerene,俗称Buckyballs。但此后几年，由于不能制备出 足够多的C60，通过实验来确定C60存在的问题还没有解决。
2) 导电、导热性：石墨的导电性比一般非金属矿高一百倍。导热性超过钢、 铁、铅等金属材料。导热系数随温度升高而降低，甚至在极高的温度下， 石墨成绝热体。 石墨能够导电是因为石墨中每个碳原子与其他碳原子只 形成3个共价键,每个碳原子仍然保留1个自由电子来传输电荷。
3) 润滑性：石墨的润滑性能取决于石墨鳞片的大小，鳞片越大，摩擦系数 越小，润滑性能越好。
除了C60外，还有C50、C70、C84、直至C960等，其中C70 有25个六边形，为椭球状。
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C60的制备（1）
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1、激光蒸发石墨法
1985年Kroto等发现C60就是采用激光轰击石 墨表面，使石墨气化成碳原子碎片，在氦气中 碳原子碎片在冷却过程中形成含富勒烯的混合 物。该方法产生的富勒烯含量极少。
工业用途
地质钻头和石油钻头金刚石、拉丝模用金刚石、 磨料用金刚石、修整器用金刚石、玻璃刀用金 刚石、硬度计压头用金刚石、工艺品用金刚石。
观赏用途
钻石由于折射率高，在灯光下显得闪闪生辉， 成为女士最爱的宝石。
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富勒烯 (C60)
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1985年英国Sussex大学化学家Kroto和美国Rice大学化学 物理学家Smalley及Curl等人发表文章，宣布笼形分子C60 的发现。
1) 作耐火材料，如石墨坩埚。 2) 作导电材料：在电气工业上用作制造电极、电刷、碳棒、碳
管、水银正流器的正极，石墨垫圈、电话零件，电视机显像 管的涂层等。 3) 作耐磨润滑材料。 4) 石墨具有良好的化学稳定性。经过特殊加工的石墨，具有耐 腐蚀、导热性好，渗透率低等特点，就大量用于制作热交换 器，反应槽、凝缩器、燃烧塔、吸收塔、冷却器、加热器、 过滤器、泵设备。广泛应用于石油化工、湿法冶金、酸碱生 产、合成纤维、造纸等工业部门，可节省大量的金属材料。 5) 作铸造、翻砂、压模及高温冶金材料 6) 用于原子能工业和国防工业：石墨具有良好的中子减速剂用 于原子反应堆中 7) 石墨可作铅笔芯、颜料、抛光剂。
径0.71nm，其60个顶角各有一个碳原子。
C60分子中碳原子价都是饱和的，每个碳原子与相邻的3个 碳原子形成两个单键和一个双键。五边形的边为单键，键 长为0.1455nm，而六边形所共有的边为双键，健长为 0.1391nm。整个球状分子就是一个三维的大π键，其反 应活性相当高。C60分子对称性很高。每个顶点存在5次对 称轴。
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第一节 碳，纳米材料中不可或缺的一 员
碳是一种很常见的元素，它以多种形式广泛存 在于大气和地壳之中。它在地球中的丰度居元 素的第14位。碳单质很早就被人认识和利用， 碳的一系列化合物——有机物更是生命的根本。 碳是生铁、熟铁和钢的成分之一。 碳能在化 学上自我结合而形成大量化合物，在生物上和 商业上是重要的分子。生物体内大多数分子都 含有碳元素。
硬度大（莫氏硬度10，为所有材料中最高） 熔点高（金刚石的熔点是3550℃,石墨的熔
点是3850℃） 绝缘体（由于sp3杂化，电子全形成很强的
C-C共价键，所以无自由电子参与导电） 反射率高，全反射角范围大 热导率高（常温下是Cu的5倍） 化学性能稳定
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金刚石的用途
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o多层石墨烯靠范德华力结合在 一起，行成层状结构的石墨
a. 石墨烯通过ABABA的堆积方式行成了六 角柱型石墨结构，被称为a石墨
b. 石墨烯通过ABCABCA的堆积方式形成了 斜方六面体结构，被称为b石墨
o石墨烯内的最近邻原子间距：0.142nm
o石墨片层间距：0.335nm (约为2倍范德华半 径），所以石墨片层间很容易滑动，被用作固 体润滑剂