碳纳米材料PPT课件
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• 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;
• 2002年4月5日， 美国纽约州的伦斯勒工业大学（RPI Rensselar Polytechnic Institute）材料科学工学专业教授P.M. Ajayan的研究小组报道制备出了“雏菊”
• 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、分离、表征了单 原子数目富勒烯分子C141;
第二讲 碳纳米材料的特性 及其应用
2.1 碳纳米材料发展简史 2.2 碳纳米材料的分类 2.3 富勒烯 2.4 碳纳米管的制备 2.5 碳纳米管的物理化学性质 2.6 碳纳米管的应用
碳家族
2.1碳纳米材料发展简史
• 1985年 发现了巴基球(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、石墨的无限结构不同的，具有封闭球状结构的分 子C60。因此，1996年获得诺贝尔化学奖。
2.3.3 C60的物理化学性质
• （1）物理性质 黑色粉末，密度1.65g/cm3±0.05g/cm3，熔点>700℃，易溶于CS2、甲苯等，在脂肪 烃中溶解度随溶剂碳原子数的增加而增大。能在不裂解情况下升华。生成热为ΔH°f (C)=2280KJ/mol，电离势为2.61ev±0.02ev，电子亲合势2.6ev～2.8ev，可压缩率为 7.0×10-12cm3/dyn，抗冲击能力强。具有非线性光学性能，室温下是分子晶体，适 当的金属掺杂后的C60表现出良好的导电性和超导性。
• 2004年4月30日 Science杂志报道，我国科学家合成出了C50Cl10(厦门大学)；
2.2 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：巴基球（C50 、 C60 、 C70、C76、C80、C82、C84、C90、 C94等）、巴基管（单壁和多壁碳纳 米管）和巴基葱
• 1967年加拿大蒙特利尔万国博览会，美国展览馆是由五边形和六边形 组成拼接构成的圆顶建筑-----启发，提出了C60的分子结构。因此， 他们决定以该展览馆建筑师的名字Buckminster Fuller命名，定为 “Buckmister fullerene”, 词尾ene为英文“烯烃”的后缀，表示C60 的不饱和性，简称“Fullerene”或“Buckyball”亦称footballene
• C60的研究已涉及到有机化学、无机 化学、生命科学、材料科学、高分子 科学、催化化学、电化学、超导体与 铁磁体等众多学科和应用研究领域， 并越来越显示出巨大的潜力和重要的 研究及应用价值。
碳60超导体 碳60的奇异性能举例
已经试验过往C60中掺杂，引入碱金属、碱土金属原子， 可以得到各向同性的超导性，制成了有机超导体。
• （2）化学性质 芳香性，倾向于得到电子，易于与亲核试剂反应。多种C60衍生物，其中金属包含于 C60笼内部：M@C60；金属和C60在球外表起反应：MC60。
➢ C60和金属的反应 ➢ C60的氧化还原反应 ➢ C60与自由基反应 ➢ C60的加成反应 ➢ C60聚合反应
2.3.4 应用与展望
2.4.1电弧放电法
石墨电弧法实验装置
改进型电弧放电装置
2.4.2 碳氢化合物催化分解法(又称 化学气相沉积CVD法)
单壁碳纳米管的CVD合成条件
2.4.3 激光蒸发（烧蚀）法
2.4.4 等离子体法
2.3.2 C60的合成方法
• 电弧放电法 1990年, Kraschmer和Huffman等人
• 苯火焰燃烧法 1991年7月,麻省理工学院教授Jack Howard及 其实验伙伴，从1000g纯碳中得到3g富勒烯。
• 高频加热蒸发石墨法 1992年，Peter和Jansen等人,2700℃， 150KPa ,氮气氛中
C60作成的分子算盘 碳60的奇异性能举例
• 1996年11月，IBM公司在瑞士苏黎士研究室 工作的物理学家金泽夫斯基等，想能否用一 台扫描隧道显微镜和一些布基球，制成一个 能计算的机器。结果研究出第一台分子算盘， 储存信息容量是常规电子计算机存储器的10 亿倍，可能是将来制造出分子般大小的机器 的第一部。
• 纳米金刚石
2.3 富勒烯
C80
狮子
2.3.1 CBaidu Nhomakorabea0的发现及命名
• 1985年11月14日，Kroto，Curl和Smalley等人，《自然》杂志，正式 宣布C60的发现及结构模型；1996年，获得诺贝尔化学奖。
• C60分子中每一个C原子与周围三个C原子形成3个σ键，剩余的轨道和 电子共同组成离域π键，可简单地将其表示为每个碳原子与周围3个 碳原子形成2个单键和1个双键。C60的结构参数为C—C—C，键角平均 为116º，杂化轨道类型为SP2.28，六边形键长为0.1388nm，五边形键长 为0.1432nm，晶体型式为面心立方的分子晶体。
• 移动单个分子或原子的技术，将是下一代电 子元件和开发纳电子集成电路的关键。
2.4 碳纳米管的制备
• 电弧放电法 • 催化裂解法(复合电极电弧催化法、碳氢化合物催化
分解法CVD、)---化学气相沉积法 • 激光蒸发（烧蚀）法 • 等离子体法 • 增强等离子热流体化学蒸气分解沉积法PE-HF-CVD • 热解聚合物法（化学热解法） • 离子（电子束）辐射法 • 催化裂解无基体法 • 电解法
• 1991年 日本电气公司的S. Iijima在制备C60、对电弧放电后的石墨棒进行观察 时，发现圆柱状沉积。空的管状物直径0.7-30 nm，叫Carbon nanotubes， (CNTs）；
• 1992年 瑞士洛桑联邦综合工科大学的D.Ugarte等发现了巴基葱(Carbon nanoonion)；
• 2002年4月5日， 美国纽约州的伦斯勒工业大学（RPI Rensselar Polytechnic Institute）材料科学工学专业教授P.M. Ajayan的研究小组报道制备出了“雏菊”
• 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、分离、表征了单 原子数目富勒烯分子C141;
第二讲 碳纳米材料的特性 及其应用
2.1 碳纳米材料发展简史 2.2 碳纳米材料的分类 2.3 富勒烯 2.4 碳纳米管的制备 2.5 碳纳米管的物理化学性质 2.6 碳纳米管的应用
碳家族
2.1碳纳米材料发展简史
• 1985年 发现了巴基球(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、石墨的无限结构不同的，具有封闭球状结构的分 子C60。因此，1996年获得诺贝尔化学奖。
2.3.3 C60的物理化学性质
• （1）物理性质 黑色粉末，密度1.65g/cm3±0.05g/cm3，熔点>700℃，易溶于CS2、甲苯等，在脂肪 烃中溶解度随溶剂碳原子数的增加而增大。能在不裂解情况下升华。生成热为ΔH°f (C)=2280KJ/mol，电离势为2.61ev±0.02ev，电子亲合势2.6ev～2.8ev，可压缩率为 7.0×10-12cm3/dyn，抗冲击能力强。具有非线性光学性能，室温下是分子晶体，适 当的金属掺杂后的C60表现出良好的导电性和超导性。
• 2004年4月30日 Science杂志报道，我国科学家合成出了C50Cl10(厦门大学)；
2.2 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：巴基球（C50 、 C60 、 C70、C76、C80、C82、C84、C90、 C94等）、巴基管（单壁和多壁碳纳 米管）和巴基葱
• 1967年加拿大蒙特利尔万国博览会，美国展览馆是由五边形和六边形 组成拼接构成的圆顶建筑-----启发，提出了C60的分子结构。因此， 他们决定以该展览馆建筑师的名字Buckminster Fuller命名，定为 “Buckmister fullerene”, 词尾ene为英文“烯烃”的后缀，表示C60 的不饱和性，简称“Fullerene”或“Buckyball”亦称footballene
• C60的研究已涉及到有机化学、无机 化学、生命科学、材料科学、高分子 科学、催化化学、电化学、超导体与 铁磁体等众多学科和应用研究领域， 并越来越显示出巨大的潜力和重要的 研究及应用价值。
碳60超导体 碳60的奇异性能举例
已经试验过往C60中掺杂，引入碱金属、碱土金属原子， 可以得到各向同性的超导性，制成了有机超导体。
• （2）化学性质 芳香性，倾向于得到电子，易于与亲核试剂反应。多种C60衍生物，其中金属包含于 C60笼内部：M@C60；金属和C60在球外表起反应：MC60。
➢ C60和金属的反应 ➢ C60的氧化还原反应 ➢ C60与自由基反应 ➢ C60的加成反应 ➢ C60聚合反应
2.3.4 应用与展望
2.4.1电弧放电法
石墨电弧法实验装置
改进型电弧放电装置
2.4.2 碳氢化合物催化分解法(又称 化学气相沉积CVD法)
单壁碳纳米管的CVD合成条件
2.4.3 激光蒸发（烧蚀）法
2.4.4 等离子体法
2.3.2 C60的合成方法
• 电弧放电法 1990年, Kraschmer和Huffman等人
• 苯火焰燃烧法 1991年7月,麻省理工学院教授Jack Howard及 其实验伙伴，从1000g纯碳中得到3g富勒烯。
• 高频加热蒸发石墨法 1992年，Peter和Jansen等人,2700℃， 150KPa ,氮气氛中
C60作成的分子算盘 碳60的奇异性能举例
• 1996年11月，IBM公司在瑞士苏黎士研究室 工作的物理学家金泽夫斯基等，想能否用一 台扫描隧道显微镜和一些布基球，制成一个 能计算的机器。结果研究出第一台分子算盘， 储存信息容量是常规电子计算机存储器的10 亿倍，可能是将来制造出分子般大小的机器 的第一部。
• 纳米金刚石
2.3 富勒烯
C80
狮子
2.3.1 CBaidu Nhomakorabea0的发现及命名
• 1985年11月14日，Kroto，Curl和Smalley等人，《自然》杂志，正式 宣布C60的发现及结构模型；1996年，获得诺贝尔化学奖。
• C60分子中每一个C原子与周围三个C原子形成3个σ键，剩余的轨道和 电子共同组成离域π键，可简单地将其表示为每个碳原子与周围3个 碳原子形成2个单键和1个双键。C60的结构参数为C—C—C，键角平均 为116º，杂化轨道类型为SP2.28，六边形键长为0.1388nm，五边形键长 为0.1432nm，晶体型式为面心立方的分子晶体。
• 移动单个分子或原子的技术，将是下一代电 子元件和开发纳电子集成电路的关键。
2.4 碳纳米管的制备
• 电弧放电法 • 催化裂解法(复合电极电弧催化法、碳氢化合物催化
分解法CVD、)---化学气相沉积法 • 激光蒸发（烧蚀）法 • 等离子体法 • 增强等离子热流体化学蒸气分解沉积法PE-HF-CVD • 热解聚合物法（化学热解法） • 离子（电子束）辐射法 • 催化裂解无基体法 • 电解法
• 1991年 日本电气公司的S. Iijima在制备C60、对电弧放电后的石墨棒进行观察 时，发现圆柱状沉积。空的管状物直径0.7-30 nm，叫Carbon nanotubes， (CNTs）；
• 1992年 瑞士洛桑联邦综合工科大学的D.Ugarte等发现了巴基葱(Carbon nanoonion)；