碳材料PPT课件
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碳材料氮化碳课件
碳材料氮化碳课件
目录
• 氮化碳概述 • 氮化碳的合成方法 • 氮化碳的结构与性质 • 氮化碳的制备实例 • 氮化碳的改性方法 • 氮化碳的未来发展前景
01
氮化碳概述
定义与特性
定义
氮化碳是一种由碳和氮元素组成 的化合物，通常表示为 $C_{n}N_{m}$，其结构类似于石 墨，具有二维平面结构。
生物成像
氮化碳材料具有优良的光学性能和生物相容性，可用于生物成像 领域，提高成像效果和分辨率。
药物载体
氮化碳材料具有较高的药物负载能力和生物相容性，可用于药物载 体领域，实现药物的靶向传输和控释。
生物传感器
氮化碳材料具有优良的电学性能和生物相容性，可用于生物传感器 领域，提高传感器的灵敏度和稳定性。
05氮化碳的改性方法 Nhomakorabea素掺杂元素掺杂是一种常用的氮化碳改性方 法，通过在氮化碳中掺入其他元素来 改变其电子结构和物理性质。常见的 掺杂元素包括硼、氮、磷等。
元素掺杂可以改善氮化碳的导电性能 、光学性能和稳定性，提高其在光电 器件、传感器和催化等领域的应用效 果。
表面修饰
01
表面修饰是通过化学或物理方法 对氮化碳表面进行改性，以改善 其表面性质和界面性能。
总结词
以石墨为原料制备氮化碳是一种常用的方法，具有操作简便、成本低廉等优点。
详细描述
首先将石墨粉末与无水氯化钙混合，然后在高温下进行热处理，使石墨与氯化钙 发生反应。接着将生成的氮气通入反应体系中，与石墨反应生成氮化碳。最后将 产物进行洗涤、干燥即可得到氮化碳。
以三氧化二铝和氮气为原料制备氮化碳
总结词
氮化碳的应用研究逐渐增 多，涉及到光电器件、场 效应晶体管等领域。
氮化碳的应用领域
目录
• 氮化碳概述 • 氮化碳的合成方法 • 氮化碳的结构与性质 • 氮化碳的制备实例 • 氮化碳的改性方法 • 氮化碳的未来发展前景
01
氮化碳概述
定义与特性
定义
氮化碳是一种由碳和氮元素组成 的化合物，通常表示为 $C_{n}N_{m}$，其结构类似于石 墨，具有二维平面结构。
生物成像
氮化碳材料具有优良的光学性能和生物相容性，可用于生物成像 领域，提高成像效果和分辨率。
药物载体
氮化碳材料具有较高的药物负载能力和生物相容性，可用于药物载 体领域，实现药物的靶向传输和控释。
生物传感器
氮化碳材料具有优良的电学性能和生物相容性，可用于生物传感器 领域，提高传感器的灵敏度和稳定性。
05氮化碳的改性方法 Nhomakorabea素掺杂元素掺杂是一种常用的氮化碳改性方 法，通过在氮化碳中掺入其他元素来 改变其电子结构和物理性质。常见的 掺杂元素包括硼、氮、磷等。
元素掺杂可以改善氮化碳的导电性能 、光学性能和稳定性，提高其在光电 器件、传感器和催化等领域的应用效 果。
表面修饰
01
表面修饰是通过化学或物理方法 对氮化碳表面进行改性，以改善 其表面性质和界面性能。
总结词
以石墨为原料制备氮化碳是一种常用的方法，具有操作简便、成本低廉等优点。
详细描述
首先将石墨粉末与无水氯化钙混合，然后在高温下进行热处理，使石墨与氯化钙 发生反应。接着将生成的氮气通入反应体系中，与石墨反应生成氮化碳。最后将 产物进行洗涤、干燥即可得到氮化碳。
以三氧化二铝和氮气为原料制备氮化碳
总结词
氮化碳的应用研究逐渐增 多，涉及到光电器件、场 效应晶体管等领域。
氮化碳的应用领域
碳碳复合材料ppt课件
循环浸渍－碳化曲线反映了浸渍－碳化工艺特点：
❖ 在进行1～3次浸渍碳化时，复合材料的密度增加较快， 从预制体密度（约1.2～1.3g/cm3）增加到1.6g/cm3以上；
❖ 从第四次循环浸渍碳化开始，则每次复合材料的密度增 加相对较慢。
❖ 为了减少浸渍－碳化次数，提高浸渍碳化效率和改善复 合材料的性能，一般采用真空压力浸渍工艺，形成了压 力浸渍碳化工艺（PIC, Pressure Impregnation Carbonization）。并且在沥青液态浸渍－碳化工艺中得 到应用。
沥青碳化率＝0.95QI＋0.85(BI-QI)+(0.3-0.5)BS
因此，沥青的碳化率随高分子量芳香族化合物的含量增加而增加。 最高的碳化率达90％，但与碳化时的压力有关。当碳化压力增强时， 低分子量物质挥发气化，并在压力下热解得到固态沥青碳。
★ 沥青碳化特性
★ 沥青碳化特性
沥青的压力碳化经历以下过程：
沥青液态压力浸渍－碳化 工艺是在常压、250℃下先浸 渍，然后在此温度下加压至 100MPa压力下继续浸渍，再 此压力下经650℃碳化。
同样需经历多次PIC工艺 使/C复合材料致密化。
● HIPIC工艺
HIPIC工艺是热等静压浸 渍碳化工艺（Hot Isostatic Pressure Carbonization）,即 在等静压炉中进行PIC工艺。
沥青、树脂浸渍-碳化与CVD裂解碳填充孔隙的区别
C/C复合材料CVD/CVI工艺的种类主要有：
❖ 等温 (Isothermal)法； ❖ 压力梯度 (Pressure gradient)法； ❖ 温度梯度(Thrmal gradient)法； ❖ 化学液气相沉积法（Chemical Liquid Vapour
碳材料概述.完整资料PPT
一、碳的基础知识
关于“ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ材料”与“炭素材料”
“炭”与“碳”二字有联系又有区别: 碳：指碳元素、碳单质总体、含碳化合物及其众多的衍生物时用“碳”如碳水化合物、碳酸 盐、碳氢化合物。 炭：指由碳元素形成的单质，指的是具体物质。C/H比在10以上，主要由碳元素组成、多数为 固体材料，如煤炭、焦炭、炭黑、活性炭、炭电极、炭块、炭纤维等。
钻头
三、其他传统炭素材料
木炭
活性炭
焦炭
炭黑
以石墨微晶为基础构成的，其共同点是：由石墨的微小晶体和少量杂质构成的混合 物。不同的炭素材料中，微晶的尺寸和微晶的三维排列的有序程度有相当大的差别。
炭纤维、多孔碳材料，功能化金刚石薄膜、玻璃炭等。
水质在我
分很现 国
接 触 ， 都
稳 定 ， 碳
在 ？
古 代 字
二、金刚石与石墨
金刚石结构图
石墨：平面网状结构
钻石
天然金刚石
二、金刚石与石墨
石墨可分为天然石墨和人造石墨，如等静压石墨、模压石墨、挤压石墨（作电极材料）。
1）作耐火材料，如石墨坩埚、石墨模具; 2）作导电材料：在电气工业上用作制造电极、电刷、碳棒、碳管、石墨垫圈，，电视机
显像管的涂层等; 3）用于原子能工业和国防工业：作为中子减速剂用于原子反应堆; 4）作铸造、翻砂、压模及高温冶金材料; 5）石墨可作铅笔芯、颜料、抛光剂; 6）作耐磨润滑材料，耐烧蚀材料。
Contents
1
碳的基础知识
2
金刚石与石墨
3
其他传统炭素材料
4
新型碳材料
一、碳的基础知识
❖汉字“碳”由木炭的“炭”加石字旁构成，从“炭”字音。碳是人类接触到的最早 的元素之一，也是人类利用得最早的元素之一。尧舜时代，炭黑作为涂料；商朝时， 广泛用木炭来冶炼金属，在冶炼中木炭充当燃料、还原剂。
多孔碳材料的研究进展ppt课件
Wan Y， Shi Y， Zhao D. Supramolecular Aggregates.as Templates: Ordered Mesoporous Polymers and 11 Carbons†[J]. Chemistry of Materials， 2007， 20(3):932-945.
carbon
materials[J].
Advanced
Materials,
2011,
8
硬模板法
Ryoo以介孔氧化硅SBA-15为模板，合成了介孔碳CMK-3和 CMK-5 。当碳源全部填充SBA-15 的孔道时，得到纳米棒状 CMK-3；如果碳源部分填充或仅在孔道的内表面包覆一层， 得到的是一空心的纳米管型的CMK-5。
.
21
功能性改进
催化 吸附 杀菌
➢ 活性炭纤维用硫酸处理后可催化NO与NH3 反应生成N2，提高低浓度NO的脱除率。
➢ 添加溴的多孔炭可作为强催化剂氧化甲硫 醚、二硫甲烷。
➢ 活性炭纤维上分散MgO粒子可大大增加对 甲烷的吸附。
➢ 在多孔碳表面添加氯化亚铜，可提高对CO 的吸附。
➢ 多孔碳上添加有杀菌作用的银粒子后对大 肠杆菌、黄色葡萄状球菌等都有极好的杀 菌作。
.
15
超级电容器
• 碳材料，如碳粉末、碳纤维、碳凝胶、碳纳米管、碳复合 物、碳垫、碳独块巨石、碳箔等， 被广泛的应用于超级电 容器。
北京科技大学范丽珍 教授用氨基葡萄糖为 原料合成氮掺杂碳材 料，比容量在 H2SO4 和 KOH 溶液中分别可 达 300 和 220F/g。
Li Z， Li-Zhen F， Meng-Qi Z， et al. Nitrogen-containing hydrothermal carbons with superior performance in supercapacitors.[J]. Advanced Materials， 2010， 22(45):5202–5206.
carbon
materials[J].
Advanced
Materials,
2011,
8
硬模板法
Ryoo以介孔氧化硅SBA-15为模板，合成了介孔碳CMK-3和 CMK-5 。当碳源全部填充SBA-15 的孔道时，得到纳米棒状 CMK-3；如果碳源部分填充或仅在孔道的内表面包覆一层， 得到的是一空心的纳米管型的CMK-5。
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21
功能性改进
催化 吸附 杀菌
➢ 活性炭纤维用硫酸处理后可催化NO与NH3 反应生成N2，提高低浓度NO的脱除率。
➢ 添加溴的多孔炭可作为强催化剂氧化甲硫 醚、二硫甲烷。
➢ 活性炭纤维上分散MgO粒子可大大增加对 甲烷的吸附。
➢ 在多孔碳表面添加氯化亚铜，可提高对CO 的吸附。
➢ 多孔碳上添加有杀菌作用的银粒子后对大 肠杆菌、黄色葡萄状球菌等都有极好的杀 菌作。
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15
超级电容器
• 碳材料，如碳粉末、碳纤维、碳凝胶、碳纳米管、碳复合 物、碳垫、碳独块巨石、碳箔等， 被广泛的应用于超级电 容器。
北京科技大学范丽珍 教授用氨基葡萄糖为 原料合成氮掺杂碳材 料，比容量在 H2SO4 和 KOH 溶液中分别可 达 300 和 220F/g。
Li Z， Li-Zhen F， Meng-Qi Z， et al. Nitrogen-containing hydrothermal carbons with superior performance in supercapacitors.[J]. Advanced Materials， 2010， 22(45):5202–5206.
一、碳材料基础
1． 碳的结构
乱层结构的判定：
石墨化度 G
理想石墨晶体的G＝100%， 完全不可石墨化的G＝0, 任何一种炭素材料 G＝(0.344-d002)/(0.344-0.3354)*100%
贝多芬头发变成一颗璀璨的蓝钻——单质碳的“七十二变”
图1贝多芬画像
图2贝多芬头发所制蓝钻
1． 碳的结构
7．石墨还能防止锅炉结垢
8．石墨可作铅笔芯、颜料、抛光剂。 9．电极
10.密封材料
Thanks!
Pt=(Dt-Dv)/Dt*100%
2.
碳的性质
碳的化学性质
炭素材料化学性质稳定，因此耐腐蚀。但在高温下与氧化性气体反
应，或在强氧化性介质中发生氧化作用，在高温下熔解于金属并生成碳 化物。
表征方法：TG、XRD、元素分析等
2.
碳的性质
碳的机械性质
抗压强度----单向受压力作用破坏时，单位面积上所承受的荷载。
抗折强度----单位面积承受弯矩时的极限折断应力。
式中Re为试样抗折强度，MPa；F为试样折断时最大载荷， N；
L为下刀口之间距离，mm；b为试样断面宽度，mm；
h为试样断面高度，mm。
2.
碳的性质 碳的机械性质
弹性模量 ----材料所受应力与应变之间的关系。
2.
碳的性质 碳的热学性质
比热容——不随炭材料的石墨化度和种类而变化
蒸气压——蒸气压低，可在高温真空条件下使用 热导率——石墨热导率呈各向异性，炭材料热导率与石墨化度成正
比 ，与温度成反比。
热膨胀系数——固体材料的长度随温度升高而增大的现象称为线热 膨胀。与石墨化度成反比。具有各向异性。
抗热震性——能经受温度的剧变而不受破坏的性能。
碳碳(C、C)复合材料介绍(ppt 38页)
连续高温炉在设计和制造使更多的选择并使用标 准品。 与耐热刚的联接板不同，C/的联接板没有热变性， 使用寿命长，可以降低托盘的更换频率，减少驴子 维修次数，提高生产效率。 此外，由于托盘本身重量的降低，保温性能的提 高，降低了搬送设备的负荷，并且大幅降低了能源 损耗。
耐热材料领域-炉内材料-保温材
和“石墨”比较 和“陶瓷”比较
更高的强度 更好的韧性，不易破碎
更好的韧性，不易破碎 不易粘结（不会胶合） 耐热冲击性好 容易加工
和“树脂”比较
良好的耐热性 良好的耐腐蚀性 高的耐摩擦性
C/C复合材料应用领域介绍
耐热材料领域
C/C复合材料 C/C金属复合材料
优良的耐热性能及低重量，可作为金属热处理过程中的工具，如烧制垫 板，料盒，以及高温炉内耐温材料。可以提高成品率及生产效率
摩擦材料领域
根据先进的制造技术，制造出的优良的耐磨产品，可用作夹具，刹车 片，火车导电架的滑板等等。
高机械性能领域
C/C复合材料和 C/CMC产品集质量轻，耐热好，热膨胀小，高强度， 高弹性等优点于一身，可满足产业界多种多样的需要。
耐热材料领域
➢产品在2000℃~2500℃下生产而成，遇热变形的状况不会发生。 ➢同时，为了使产品达到更好的耐热冲击性，产品经过了反复的热处理。 ➢产品的密度为1.6~1.7g/cm3, 产品重量是耐热钢的1/4。 ➢因为碳素纤维经过强化处理，强度是原来石墨材料的3~5倍，产品掉落也不会产生损伤。
对于连续高温炉，一般其设计和制造都会采用标准品。 当炉内运送重物时，一般会采用薄钢板。 C/C复合材料与原来的耐热刚质辊棒相比，其不同之处在 于C/C耐热性能高，不需要进行水冷。因此可以提高炉内的 保温性。并且避免水冷系统漏水的问题。 同时，由于C/C材料几乎没有热变性，可以大幅降低维修 的次数，提高生产效率。 C/C辊棒本身质量轻，能够减少炉内20~50%的能量损耗。
碳材料基础.讲述
1
2018/1/30
可以看出每个碳原子 的电子轨道呈现出 SP3杂化，也就是说 碳原子的所有外层孤 电子都参与形成了σ键 ，没有多余的孤电子 来形成π键，就更遑论 大π键了，所有的电子 都被束缚着，没有自 由电子，电阻自然就 很大了。
2018/1/30
键长0.1554nm 键角为109º 28´
1
2． 碳的结构：石墨
根据其结构，可推断出其具有以下性质：
• 各向异性； •层面间相对易滑动，可生成层间化合物； •不熔融性及化学稳定性； • 导电性 结 构 决 定 性 质
2． 碳的结构：石墨
例：富勒烯和纳米碳管
69
笼状32面体，五边形环为单键，键长约为0.145nm，两个六边形 环的公共边则为双键，键长为0.138nm，共有30个双键；每个五 边形与6个六边形共边，而六边形则将5个五边形彼此隔开。
乱层结构
2． 碳的结构：金刚石
50
2018/1/30
2． 碳的结构：金刚石
例：金刚石 键长0.1554nm 键角为109º 28´
晶胞为面心立方 晶格参数如下： N＝8 a=0.357 nm 理论密度＝3.5362g/cm3
52
2018/1/30
2． 碳的结构：金刚石
根据其结构，可推断出其具有以下性质：
2018/1/30
二、碳的结构
1、金刚石
2、石墨 3、富勒烯和纳米碳管 4、其他结构
42
2018/1/30
2． 碳的结构
碳位于化学元素周期表的
第6位，电子轨道结构为
1s22s22p2。
外层电子2s22p2在不同条 件下，会产生不同形式的 杂化。
2018/1/30
可以看出每个碳原子 的电子轨道呈现出 SP3杂化，也就是说 碳原子的所有外层孤 电子都参与形成了σ键 ，没有多余的孤电子 来形成π键，就更遑论 大π键了，所有的电子 都被束缚着，没有自 由电子，电阻自然就 很大了。
2018/1/30
键长0.1554nm 键角为109º 28´
1
2． 碳的结构：石墨
根据其结构，可推断出其具有以下性质：
• 各向异性； •层面间相对易滑动，可生成层间化合物； •不熔融性及化学稳定性； • 导电性 结 构 决 定 性 质
2． 碳的结构：石墨
例：富勒烯和纳米碳管
69
笼状32面体，五边形环为单键，键长约为0.145nm，两个六边形 环的公共边则为双键，键长为0.138nm，共有30个双键；每个五 边形与6个六边形共边，而六边形则将5个五边形彼此隔开。
乱层结构
2． 碳的结构：金刚石
50
2018/1/30
2． 碳的结构：金刚石
例：金刚石 键长0.1554nm 键角为109º 28´
晶胞为面心立方 晶格参数如下： N＝8 a=0.357 nm 理论密度＝3.5362g/cm3
52
2018/1/30
2． 碳的结构：金刚石
根据其结构，可推断出其具有以下性质：
2018/1/30
二、碳的结构
1、金刚石
2、石墨 3、富勒烯和纳米碳管 4、其他结构
42
2018/1/30
2． 碳的结构
碳位于化学元素周期表的
第6位，电子轨道结构为
1s22s22p2。
外层电子2s22p2在不同条 件下，会产生不同形式的 杂化。
C、C复合材料性能特点与应用领域PPT(36张)
内燃发动机
密度低、优异的摩擦性能、热膨胀率低 有利于控制活塞与汽缸之间的空隙
发热元件
强度高,韧性好,耐高温,可减少发热体 体积,扩大工作区
31
4.5 生物学上的应用 生物相容性好,强度高,耐疲劳,韧性好 在生物体内稳定,不被腐蚀 与骨的弹性模量接近,具有良好的生心脏瓣膜
33
5、C/C复合材料研究展望
航天领域
普通航空和其他一般工业领域
发展方向：双元复合向多元复合
研究重点：控制孔隙的最佳数量,提高高温下的抗氧化性能, 降低成本
34
谢 谢！
35
•
1、有时候，我们活得累，并非生活过于刻薄，而是我们太容易被外界的氛围所感染，被他人的情绪所左右。
•
2、身材不好就去锻炼，没钱就努力去赚。别把窘境迁怒于别人，唯一可以抱怨的，只是不够努力的自己。
•
7、时间就像一张网，你撒在哪里，你的收获就在哪里。纽扣第一颗就扣错了，可你扣到最后一颗才发现。有些事一开始就是错的，可只有到最后才不得不承认。
•
8、世上的事，只要肯用心去学，没有一件是太晚的。要始终保持敬畏之心，对阳光，对美，对痛楚。
•
9、别再去抱怨身边人善变，多懂一些道理，明白一些事理，毕竟每个人都是越活越现实。
•
3、大概是没有了当初那种毫无顾虑的勇气，才变成现在所谓成熟稳重的样子。
•
4、世界上只有想不通的人，没有走不通的路。将帅的坚强意志，就像城市主要街道汇集点上的方尖碑一样，在军事艺术中占有十分突出的地位。
•
5、世上最美好的事是：我已经长大，父母还未老;我有能力报答，父母仍然健康。
•
6、没什么可怕的，大家都一样，在试探中不断前行。
19
《炭的化学性质》课件
《炭的化学性质》PPT课 件
本课件将介绍炭的化学性质，包括炭的构成与性质、炭化反应过程、炭材料 的合成、炭的应用领域以及炭材料的未来发展趋势。
炭的构成与性质
炭的主要成分
炭主要是由碳元素组成的物 质，但也包含其他的元素和 杂质。
不同种类的炭介绍
介绍不同种类的炭，包括木 炭、活性炭、石墨等，以及 它们的特性和用途。
炭材料的合成
炭材料的制备方法
详细介绍几种制备炭材料的方法， 如化学气相沉积法、碳化法等。
化学气相沉积法的原理和 应用
解释化学气相沉积法的原理，并 阐述该方法在炭材料制备中的应 用。
炭形貌与结构特性的调控
讨论炭的形貌和结构特性是如何 通过合适的制备方法进行调控的。
炭的应用领域
炭的目前应用领域，包 括生产和生活
介绍当前炭材料在工业生产 和日常生活中的广泛应用， 如金属冶炼、过滤系统等。
炭材料在电子、电化学、 化学工程、环境与能源 等领域ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ的应用
探索炭材料在各个领域的应 用，如电池技术、催化剂、 吸附剂等。
炭材料未来的发展趋势 和前景
展望炭材料未来的发展趋势， 如新材料设计、炭基复合材 料等。
总结与展望
1 炭材料的重要性与发展
炭的物理与化学性质分 析
分析炭的物理性质，如颜色、 质地等，以及化学性质，如 反应性和稳定性。
炭化反应过程
1
炭化反应的定义和基本原理
解释炭化反应是什么以及它的基本原理，涉及到炭的分解和重排过程。
2
炭化反应的条件和影响因素
探讨影响炭化反应的条件和因素，如温度、压力、催化剂等。
3
炭化反应的应用领域
介绍炭化反应在不同领域的应用，如碳材料的合成和炭化技术等。
本课件将介绍炭的化学性质，包括炭的构成与性质、炭化反应过程、炭材料 的合成、炭的应用领域以及炭材料的未来发展趋势。
炭的构成与性质
炭的主要成分
炭主要是由碳元素组成的物 质，但也包含其他的元素和 杂质。
不同种类的炭介绍
介绍不同种类的炭，包括木 炭、活性炭、石墨等，以及 它们的特性和用途。
炭材料的合成
炭材料的制备方法
详细介绍几种制备炭材料的方法， 如化学气相沉积法、碳化法等。
化学气相沉积法的原理和 应用
解释化学气相沉积法的原理，并 阐述该方法在炭材料制备中的应 用。
炭形貌与结构特性的调控
讨论炭的形貌和结构特性是如何 通过合适的制备方法进行调控的。
炭的应用领域
炭的目前应用领域，包 括生产和生活
介绍当前炭材料在工业生产 和日常生活中的广泛应用， 如金属冶炼、过滤系统等。
炭材料在电子、电化学、 化学工程、环境与能源 等领域ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ的应用
探索炭材料在各个领域的应 用，如电池技术、催化剂、 吸附剂等。
炭材料未来的发展趋势 和前景
展望炭材料未来的发展趋势， 如新材料设计、炭基复合材 料等。
总结与展望
1 炭材料的重要性与发展
炭的物理与化学性质分 析
分析炭的物理性质，如颜色、 质地等，以及化学性质，如 反应性和稳定性。
炭化反应过程
1
炭化反应的定义和基本原理
解释炭化反应是什么以及它的基本原理，涉及到炭的分解和重排过程。
2
炭化反应的条件和影响因素
探讨影响炭化反应的条件和因素，如温度、压力、催化剂等。
3
炭化反应的应用领域
介绍炭化反应在不同领域的应用，如碳材料的合成和炭化技术等。
碳材料科学ppt课件
碳纳米管和石墨烯有可能将碳元素的独特性 发挥到极工业：轴承、密封元件、制动元件等； ➢ 电子工业：电极、电波屏蔽、电子元件等； ➢ 电器工业：电刷，集电体、触点等； ➢ 航空航天：结构材料，绝热、耐烧蚀材料等； ➢ 核能工业：反射材料，屏蔽材料等； ➢ 冶金工业：电极，发热元件，坩锅、模具等； ➢ 化学工业：化工设备，过滤器等； ➢ 体育器材：球杆，球拍，自行车等； ➢ …………
第四部分 炭的表面化学（4学时）
第五部分 石墨层间化合物（2学时）
第六部分 炭科学研究的新进展（4-6学时）
一、金刚石薄膜
二、富勒烯与纳米洋葱
三、纳米碳管 四、碳包覆纳米金属晶
考试：2学时
10
考核：
1、出勤计入成绩（权重10%）； 2、平时作业/报告成绩（权重20 %）； 2、期末试卷考试（权重70% ）。
32
第二代 炭材料
★ 烧结炭材料 利用炭的物理性质（导电、耐热、耐腐 蚀、耐摩擦等），用于炭砖、炼钢、炼 铝等（电极、电刷、各种机械、化工用 炭、原子反应堆用炭等）
33
第三代 炭材料
以炭纤维（CF）为代表的新型炭材料(结构 和功能材料)纷纷出现，是炭材料的大发展 时期，也是炭科学形成的时期
34
材料
6
Ordered Mesoporous Carbons from the Carbonization of as-synthesized Silica/Sucrose/Triblock copolymer Nanocomposites
碳的六方有序孔道
7
锂离子二次电池电极材料
电流
正极
隔膜
电子 负极
炭 纤 维
针
状
高导热材料,发泡炭、高级粘
第四部分 炭的表面化学（4学时）
第五部分 石墨层间化合物（2学时）
第六部分 炭科学研究的新进展（4-6学时）
一、金刚石薄膜
二、富勒烯与纳米洋葱
三、纳米碳管 四、碳包覆纳米金属晶
考试：2学时
10
考核：
1、出勤计入成绩（权重10%）； 2、平时作业/报告成绩（权重20 %）； 2、期末试卷考试（权重70% ）。
32
第二代 炭材料
★ 烧结炭材料 利用炭的物理性质（导电、耐热、耐腐 蚀、耐摩擦等），用于炭砖、炼钢、炼 铝等（电极、电刷、各种机械、化工用 炭、原子反应堆用炭等）
33
第三代 炭材料
以炭纤维（CF）为代表的新型炭材料(结构 和功能材料)纷纷出现，是炭材料的大发展 时期，也是炭科学形成的时期
34
材料
6
Ordered Mesoporous Carbons from the Carbonization of as-synthesized Silica/Sucrose/Triblock copolymer Nanocomposites
碳的六方有序孔道
7
锂离子二次电池电极材料
电流
正极
隔膜
电子 负极
炭 纤 维
针
状
高导热材料,发泡炭、高级粘
(精品)碳材料-氮化碳PPT
信息来源：Shalom M, Inal S, Fettkenhauer C, et al. Journal of the American Chemical Society [J], 2013, 135 （19）： 7118-7121. 右图来源于自己拍摄
热聚合法制备g-C3N4 nanosheets（CNNS）
超分子自组装法制备氮化碳聚合物
信息来源：Jun Y S, Lee E Z, Wang X C, et al. Advanced Functional Materials [J], 2013, 23 （29）： 3661-3667
超分子自组装法制备氮化碳聚合物
超分子自组装合成方法在很大程度上受到溶剂种类、组装时间、超分子 表面能、焙烧温度和时间的影响。
信息来源：Shalom M, Inal S, Fettkenhauer C, et al. Journal of the American Chemical Society [J], 2013, 135 （19）： 7118-7121.
超分子自组装法制备氮化碳聚合物
a、三聚氰胺-三聚氰酸组装体的SEM图；b、三聚氰酸-三聚氰胺 组装体在550 ℃ 氮气气氛中焙烧12 h 后的SEM 照片
前驱体
550℃，4h 淡黄色 固体
加水 超声4h
离心，取上清液 60℃烘干
CNNS
前驱体：尿素、三聚氰胺、二聚氰胺及其组合等
五、g-C3N4 nanosheets的改性
2、4、6-三氨基密啶掺杂：将2、4、6-三氨基密啶与 前驱体混合，采用共聚合法制备CNNS
g-C3N4纳米片的氧化：将所制备的g-C3N4纳米片在 550℃空气环境下氧化。
合成研究
在理论的预言下，人们采用各种手段试图在实验室合成出这种新的低密度 高硬度的非极性共价键化合物，常用的制备方法有震荡波压缩、高压热解、离 子注入、反应溅射、等离子体化学气相沉积、电化学沉积、离子束沉积、低能 离子辐射、脉冲电弧放电和脉冲激光诱导等，但这种超硬材料的合成结果并不 理想，主要表现在沉积物多为非晶CN薄膜，少数实验得到纳米级尺寸的C3N4 晶粒镶嵌于非晶薄膜中，很少得到大颗粒的晶体。另外，目前又没有天然存在 的标样，而且由于氮化碳几种相态的能量相近，在制备的薄膜中很难得到单一 相的氮化碳化合物，使得对这种材料的准确表征存在很多困难，如对IR光谱吸 收峰位置的确切解释，X射线衍射(XRD)或透射电镜(TEM)结果与预言值之间的 较大差别，Raman光谱仅表现为石墨或无定形碳膜的特征光谱等，这些困难使 得目前的氮化碳的合成研究进展缓慢。但一些研究结果表明非晶CN薄膜也具 有很高的硬度、耐磨性、储氢性能以及优异的场发射性能，值得人们深入研究。
热聚合法制备g-C3N4 nanosheets（CNNS）
超分子自组装法制备氮化碳聚合物
信息来源：Jun Y S, Lee E Z, Wang X C, et al. Advanced Functional Materials [J], 2013, 23 （29）： 3661-3667
超分子自组装法制备氮化碳聚合物
超分子自组装合成方法在很大程度上受到溶剂种类、组装时间、超分子 表面能、焙烧温度和时间的影响。
信息来源：Shalom M, Inal S, Fettkenhauer C, et al. Journal of the American Chemical Society [J], 2013, 135 （19）： 7118-7121.
超分子自组装法制备氮化碳聚合物
a、三聚氰胺-三聚氰酸组装体的SEM图；b、三聚氰酸-三聚氰胺 组装体在550 ℃ 氮气气氛中焙烧12 h 后的SEM 照片
前驱体
550℃，4h 淡黄色 固体
加水 超声4h
离心，取上清液 60℃烘干
CNNS
前驱体：尿素、三聚氰胺、二聚氰胺及其组合等
五、g-C3N4 nanosheets的改性
2、4、6-三氨基密啶掺杂：将2、4、6-三氨基密啶与 前驱体混合，采用共聚合法制备CNNS
g-C3N4纳米片的氧化：将所制备的g-C3N4纳米片在 550℃空气环境下氧化。
合成研究
在理论的预言下，人们采用各种手段试图在实验室合成出这种新的低密度 高硬度的非极性共价键化合物，常用的制备方法有震荡波压缩、高压热解、离 子注入、反应溅射、等离子体化学气相沉积、电化学沉积、离子束沉积、低能 离子辐射、脉冲电弧放电和脉冲激光诱导等，但这种超硬材料的合成结果并不 理想，主要表现在沉积物多为非晶CN薄膜，少数实验得到纳米级尺寸的C3N4 晶粒镶嵌于非晶薄膜中，很少得到大颗粒的晶体。另外，目前又没有天然存在 的标样，而且由于氮化碳几种相态的能量相近，在制备的薄膜中很难得到单一 相的氮化碳化合物，使得对这种材料的准确表征存在很多困难，如对IR光谱吸 收峰位置的确切解释，X射线衍射(XRD)或透射电镜(TEM)结果与预言值之间的 较大差别，Raman光谱仅表现为石墨或无定形碳膜的特征光谱等，这些困难使 得目前的氮化碳的合成研究进展缓慢。但一些研究结果表明非晶CN薄膜也具 有很高的硬度、耐磨性、储氢性能以及优异的场发射性能，值得人们深入研究。
第15、16讲：碳素材料
3.3.2 活性炭的再生 吸附饱和后失去活性的活性炭用物 理、化学或生物化学方法等将所吸附的 物质脱除而使其活性恢复的过程。 （1）再生 方法
（2）高温再生设备和再生条件 斯普列炉 回转炉 多层耙式炉 基本参照活化条件
4 碳分子筛 具有特别发达的微孔结构的特种活性炭 4.1 碳分子筛的分离原理和特点 4.1.1 碳分子筛分离原理 （1）扩散速度不同
（2）主要的粘合剂 煤沥青 煤焦油 合成树脂
2.2 石墨化过程 石墨化：固体炭进行2000℃以上高温处理， 使炭的乱层结构部分或全部转变为石墨结构 的一种结晶化过程。 2.2.1 石墨化的目的 （1）提高制品的导热性和导电性 （2）提高制品的热稳定性和化学稳定性 （3）提高制品的润滑性和耐磨性 （4）去除杂质，提高纯度 （5）降低硬度，便于机械加工 2.2.2 石墨化的三个阶段 （1）第一阶段1000~1500℃ （2）第二阶段1500~2100℃ （3）第三阶段2100℃以上
d 15 10 D
（2）配料 原材料种类、质量指标和配比 干料的粒度组成 粘合剂种类、质量指标和配比 2.3.3 混合和成型 （1）混合或混捏 混合机 Z型双搅刀混合机 螺旋连续混合机 鼓形混合机
5
（2）成型 模压成型 挤压成型 其他 2.3.4 焙烧和石墨化 （1）焙烧 是将成型的毛坯加热到1300℃时的热处 理过程。 炭化 炉型 连续多室环式焙烧炉 隧道炉 倒焰炉 最终温度 升温速度
（2）应用 换热器 降膜吸收塔 盐酸合成塔 文丘里管 生产三氯乙醛的氯化反应塔 蒸发器 （3）发展 不透性石墨设备 聚四氯乙烯、聚苯乙烯和聚丙烯等
3 活性炭 无定形碳和数量不等的灰分构成的多孔 性炭制品。 优质吸附剂 3.1 活性炭的孔结构和表面性质 3.1.1 孔结构
常见碳材料PPT课件
无序诱导的D-band的产生---双共振拉曼散射
精选ppt课件2021
6
D,2D-Band-Double Resonance
D-Band
G-Band
K
158c0m1
1. e excitation 2. e-phonon scattering 3. defect scattering 4. E-hole recombination
精选ppt课件2021
12
石墨烯的拉曼光谱
Graphene中 心无缺陷存在
(a) Comparison of Raman spectra at 514 nm for bulk graphite and graphene. They are scaled to have similar height of the 2D peak at 2700 cm-1.
（2）G-band(~1580cm-1)是由碳环或长链中 的所有sp2原子对的拉伸运动产生的。
（3）缺陷和无序诱导D-band（~1360cm-1）的产生。
（4）一般我们用D峰与G峰的强度比来衡量碳材料 的无序度。
精选ppt课件2021
4
商用石墨
1355cm-1峰的出现归结于微晶尺寸效应使得没 有拉曼活性的某些声子在选择定则改变后变得 有了拉曼活性。 发现D模对于拉曼活性G模的相对强度与样品中 石墨微晶尺寸的大小相关。
b The statistical results of the angle measurements.The standard deviation is 5.4°.
(b) Evolution of the spectra at 514 nm with the number of layers.
精选ppt课件2021
6
D,2D-Band-Double Resonance
D-Band
G-Band
K
158c0m1
1. e excitation 2. e-phonon scattering 3. defect scattering 4. E-hole recombination
精选ppt课件2021
12
石墨烯的拉曼光谱
Graphene中 心无缺陷存在
(a) Comparison of Raman spectra at 514 nm for bulk graphite and graphene. They are scaled to have similar height of the 2D peak at 2700 cm-1.
（2）G-band(~1580cm-1)是由碳环或长链中 的所有sp2原子对的拉伸运动产生的。
（3）缺陷和无序诱导D-band（~1360cm-1）的产生。
（4）一般我们用D峰与G峰的强度比来衡量碳材料 的无序度。
精选ppt课件2021
4
商用石墨
1355cm-1峰的出现归结于微晶尺寸效应使得没 有拉曼活性的某些声子在选择定则改变后变得 有了拉曼活性。 发现D模对于拉曼活性G模的相对强度与样品中 石墨微晶尺寸的大小相关。
b The statistical results of the angle measurements.The standard deviation is 5.4°.
(b) Evolution of the spectra at 514 nm with the number of layers.
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形成一切生物有机生命体的骨架元素； 大量的中间过渡状态，较少的纯碳形式； 新型炭材料。
C 的存在
碳的起源---“big bang”理论
宇宙巨大的能量块 150亿年前发生大爆炸
宇宙空间充满高能的光
膨胀 温度降低
光转化为物质，各种 粒子开始形成
温度降低 温度升高
粒子凝聚成氢
温度升高
Ne Na Mg O S Si P…
C 的演变
碳在宇宙进化中起着重要的作用，是宇宙中前期生物分子进 化的关键元素。
宇宙中：原子碳、分子碳、固态碳和碳化物 太阳系：H, He,O, C, Ne…… 地球中：第14位 （90% 的碳是以CaCO3的形式存在，为化石 燃料的1万倍） 碳是地球上一切生物有机体的骨架元素，没有碳就没有生命. 碳元素占人体 总重量的18 %左右 人类进化以来，很早就开始利用各种炭物质和炭材料。各种 炭材料在航天、航空等工业、医疗、能源和日用品中得以应用。 当今世界以碳为主要原子构成的有机化学为橡胶、塑料、合 成纤维三大 材料奠定了基础。
Richard E. Smalley 1/3 of the prize USA Rice University Houston, TX, USA b. 1943 d. 2005
The Nobel Prize in Chemistry 2000 “for the discovery and development of conductive polymers”
1/3 of the prize USA Rice University Houston, TX, USA b.1933
Sir Harold W. Kroto 1/3 of the prize United Kingdom University of Sussex Brighton, United Kingdom b. 1939
炭纤维 纳米管/树脂复合材料
炭微球 C/C复合材料
富勒烯（C60）
碳纳米管 金属填充富勒烯
金刚石 金刚石薄膜
1990年和1991年金刚石和C60分获Science明星分 子；
1996年 美国Rice大学 R F Curl R. E. Smalley
英国Sussex 大学 H. W. Kroto
富勒烯C60
2000年美国科学家A. J. Heeger A. G. MacDiamid
日本科学家H Shirakawa(白川英树)
导电聚合物
The Nobel Prize in Chemistry 1996 "for their discovery of fullerenes"
Robert F. Curl Jr.
形成国内研究优势和特色，部分研究内容达到国际领先水平
主要研究方向
以石油重油、煤焦油 重质芳烃、聚合物等为原料
沥青基炭材料
1、中间相形成及转化的基础研究 2、中间相沥青炭微球（MCMB）
—锂离子二次电池电极材料 —高密度炭和C/C复合材料 3、炭纤维
碳纳米材料及纳米复合材料
1、碳包覆纳米金属晶 —金属颗粒和金属线
2004年 石墨烯
21世纪将是碳世 纪
二、炭材料的定义
1、定义
是主要以煤、石油或它们的加工产物等(主要为有机物质)作 为主要原料经过一系列加工处理过程得到的一种非金属材料， 其主要成分是碳。
2、碳纳米洋葱（实心和空心） 3、纳米碳管/树脂基复合材料 4、介孔碳材材料炭材料 —炭基材料（天然石墨、树脂炭等）
2、大功率充放动力型锂电池电极材料 —纳米碳/金属复合材料
3、储氢纳米材料 4、超级电容器电极材料
课程简介
通过对炭科学基础理论和多样炭结构、性能和形成机理的 介绍，使学生掌握炭材料的基本结构、性能、成炭原理和应用 领域，并对炭科学的发展趋势和新型炭材料的开发有一初步了 解。
USA and New Zealand Japan
University of Pennsylvania University of Tsukuba
Philadelphia, PA, USA
Tokyo, Japan
b. 1927
b. 1936
新型炭材料的发展
1985年 富勒烯
1991年 碳纳米管
碳包覆金属
先进炭材料研究室
研究室组建于1999年 ➢ 科研人员3名（2 ➢ 博士生7人，硕士生20 ➢ 学校“211工程”重点学科建设实验室 ➢ “化工资源有效利用”国家重点实验室的一部分
研究方向
沥青基炭材料、碳纳米材料、新能源材料和介孔炭材料
研究目标—主要定位于前沿性先进炭材料的研究 合成、形成机理、结构设计、性能及应用
Alan J. Heeger
1/3 of the prize
USA
University of California Santa Barbara, CA, USA b. 1936
Alan G. MacDiarmid Hideki Shirakawa
1/3 of the prize
1/3 of the prize
要求： 1、有事请假； 2、课上认真听讲； 3、课上认真作笔记，课下找相关参考书复习； 3、不明白的地方一定设法弄明白。
报告题目：We and Carbon
第一部分 绪言
一、炭材料的多样性
1、碳的多样性
碳元素的产生； 太阳系产生热核反应中“碳、氮循环”； 地球上碳产生生物学、硅产生地学，碳是
第四部分 炭的表面化学（4学时）
第五部分 石墨层间化合物（2学时）
第六部分 炭科学研究的新进展（4-6学时）
一、金刚石薄膜
二、富勒烯与纳米洋葱
三、纳米碳管 四、碳包覆纳米金属晶
考试：3学时
考核：
1、出勤计入成绩（权重10%）； 2、平时作业/报告成绩（权重10 %）； 2、期末试卷考试（权重80% ）。
课程编号:MSE515 学时：40 学分：2.5
第一部分 碳的多样性，
碳科学的形成、发展与核心问题（4学时）
第二部分 碳的结构与性质（8学时）
★ 基本结晶形式-金刚石、石墨、富勒烯、咔宾
★ 碳的结构 ★ 碳的特性
课程内容-1
课程内容-2
第三部分 有机化合物的炭化途径（16-18学时）
一、气相炭化（4学时） 二、液相炭化—中间相理论与应用（8学时） 三、固相炭化与多相炭化（4学时）
C 的存在
碳的起源---“big bang”理论
宇宙巨大的能量块 150亿年前发生大爆炸
宇宙空间充满高能的光
膨胀 温度降低
光转化为物质，各种 粒子开始形成
温度降低 温度升高
粒子凝聚成氢
温度升高
Ne Na Mg O S Si P…
C 的演变
碳在宇宙进化中起着重要的作用，是宇宙中前期生物分子进 化的关键元素。
宇宙中：原子碳、分子碳、固态碳和碳化物 太阳系：H, He,O, C, Ne…… 地球中：第14位 （90% 的碳是以CaCO3的形式存在，为化石 燃料的1万倍） 碳是地球上一切生物有机体的骨架元素，没有碳就没有生命. 碳元素占人体 总重量的18 %左右 人类进化以来，很早就开始利用各种炭物质和炭材料。各种 炭材料在航天、航空等工业、医疗、能源和日用品中得以应用。 当今世界以碳为主要原子构成的有机化学为橡胶、塑料、合 成纤维三大 材料奠定了基础。
Richard E. Smalley 1/3 of the prize USA Rice University Houston, TX, USA b. 1943 d. 2005
The Nobel Prize in Chemistry 2000 “for the discovery and development of conductive polymers”
1/3 of the prize USA Rice University Houston, TX, USA b.1933
Sir Harold W. Kroto 1/3 of the prize United Kingdom University of Sussex Brighton, United Kingdom b. 1939
炭纤维 纳米管/树脂复合材料
炭微球 C/C复合材料
富勒烯（C60）
碳纳米管 金属填充富勒烯
金刚石 金刚石薄膜
1990年和1991年金刚石和C60分获Science明星分 子；
1996年 美国Rice大学 R F Curl R. E. Smalley
英国Sussex 大学 H. W. Kroto
富勒烯C60
2000年美国科学家A. J. Heeger A. G. MacDiamid
日本科学家H Shirakawa(白川英树)
导电聚合物
The Nobel Prize in Chemistry 1996 "for their discovery of fullerenes"
Robert F. Curl Jr.
形成国内研究优势和特色，部分研究内容达到国际领先水平
主要研究方向
以石油重油、煤焦油 重质芳烃、聚合物等为原料
沥青基炭材料
1、中间相形成及转化的基础研究 2、中间相沥青炭微球（MCMB）
—锂离子二次电池电极材料 —高密度炭和C/C复合材料 3、炭纤维
碳纳米材料及纳米复合材料
1、碳包覆纳米金属晶 —金属颗粒和金属线
2004年 石墨烯
21世纪将是碳世 纪
二、炭材料的定义
1、定义
是主要以煤、石油或它们的加工产物等(主要为有机物质)作 为主要原料经过一系列加工处理过程得到的一种非金属材料， 其主要成分是碳。
2、碳纳米洋葱（实心和空心） 3、纳米碳管/树脂基复合材料 4、介孔碳材材料炭材料 —炭基材料（天然石墨、树脂炭等）
2、大功率充放动力型锂电池电极材料 —纳米碳/金属复合材料
3、储氢纳米材料 4、超级电容器电极材料
课程简介
通过对炭科学基础理论和多样炭结构、性能和形成机理的 介绍，使学生掌握炭材料的基本结构、性能、成炭原理和应用 领域，并对炭科学的发展趋势和新型炭材料的开发有一初步了 解。
USA and New Zealand Japan
University of Pennsylvania University of Tsukuba
Philadelphia, PA, USA
Tokyo, Japan
b. 1927
b. 1936
新型炭材料的发展
1985年 富勒烯
1991年 碳纳米管
碳包覆金属
先进炭材料研究室
研究室组建于1999年 ➢ 科研人员3名（2 ➢ 博士生7人，硕士生20 ➢ 学校“211工程”重点学科建设实验室 ➢ “化工资源有效利用”国家重点实验室的一部分
研究方向
沥青基炭材料、碳纳米材料、新能源材料和介孔炭材料
研究目标—主要定位于前沿性先进炭材料的研究 合成、形成机理、结构设计、性能及应用
Alan J. Heeger
1/3 of the prize
USA
University of California Santa Barbara, CA, USA b. 1936
Alan G. MacDiarmid Hideki Shirakawa
1/3 of the prize
1/3 of the prize
要求： 1、有事请假； 2、课上认真听讲； 3、课上认真作笔记，课下找相关参考书复习； 3、不明白的地方一定设法弄明白。
报告题目：We and Carbon
第一部分 绪言
一、炭材料的多样性
1、碳的多样性
碳元素的产生； 太阳系产生热核反应中“碳、氮循环”； 地球上碳产生生物学、硅产生地学，碳是
第四部分 炭的表面化学（4学时）
第五部分 石墨层间化合物（2学时）
第六部分 炭科学研究的新进展（4-6学时）
一、金刚石薄膜
二、富勒烯与纳米洋葱
三、纳米碳管 四、碳包覆纳米金属晶
考试：3学时
考核：
1、出勤计入成绩（权重10%）； 2、平时作业/报告成绩（权重10 %）； 2、期末试卷考试（权重80% ）。
课程编号:MSE515 学时：40 学分：2.5
第一部分 碳的多样性，
碳科学的形成、发展与核心问题（4学时）
第二部分 碳的结构与性质（8学时）
★ 基本结晶形式-金刚石、石墨、富勒烯、咔宾
★ 碳的结构 ★ 碳的特性
课程内容-1
课程内容-2
第三部分 有机化合物的炭化途径（16-18学时）
一、气相炭化（4学时） 二、液相炭化—中间相理论与应用（8学时） 三、固相炭化与多相炭化（4学时）