4 碳纳米材料-碳纳米管和石墨烯
碳纳米管和石墨烯简介
碳纳米管的应用
纳米金属催化剂 载体,利用碳纳米管的 高比表面及良好的吸 氢能力，成功制备了 负载 Pt纳米粒子的高 效加 氢催化剂。
碳纳米管的应用
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 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 决细菌抗药性这一日益突现的问题。
石墨烯的应用
超级电容器：
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 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 拥有高的比表面积和高的电导率，不像 多孑L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 为电极材料制备的超级电容器功率密度 为10kW／kg，能量密度为28．5Wh ／kg，最大比电容为205F／g，而且 经过1200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。
A brief introduction of
应化0902
张一恒
碳纳米管
碳纳米管是在1991年1月由日本筑波NEC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SP2杂化，相互之间以碳-碳σ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 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 纳米管的共轭π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 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 百微米。 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 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 的封口。出现七边形的地方碳纳米管则向内凹进。
碳纳米管;石墨烯;及碳纳米管-石墨烯复合材料
目录摘要 (I)Abstract ............................................................................................................................................. I I 1 石墨烯. (1)1.1 石墨烯简介 (1)1.2 石墨烯的结构和性质 (2)1.2.1 石墨烯的结构 (2)1.2.2 石墨烯的性质 (4)1.3 石墨烯的表征 (5)1.4 石墨烯的主要制备方法 (6)2 碳纳米管 (8)2.1 碳纳米管的发现及发展历程 (8)2.2 碳纳米管的结构和分类 (9)2.2.1碳纳米管的结构 (9)2.2.2碳纳米管的分类 (11)2.3 碳纳米管的生长机理 (12)2.3.1 顶部生长机理 (12)2.3.2 底部生长机理 (13)2.4 碳纳米管的性能 (14)2.4.1 碳纳米管的力学性能 (14)2.4.2 热学性能 (14)2.4.3 碳纳米管的电学性能 (15)2.4.4 光学性能 (16)2.5碳纳米管的制备 (16)2.5.1 电弧放电法 (16)2.5.2 激光蒸发法 (17)2.5.3 化学气相沉积法 (18)2.6.碳纳米管的预处理 (19)2.6.1 碳纳米管的纯化 (19)2.6.2 碳纳米管的分散 (19)2.6.3碳纳米管的活化 (20)2.7碳纳米管的应用 (20)2.7.1 在电磁学与器件方面 (20)2.7.2 在信息科学方面 (21)2.7.3 储氢方面 (21)2.7.4 制造纳米材料方面 (21)2.7.5 催化方面 (22)2.8 存在问题及发展方向 (22)3碳纳米管/石墨烯复合材料 (22)3.1 从碳纳米管、石墨稀到碳纳米管/石墨稀复合材料发展历程 (22)3.2 碳纳米管/石墨烯复合材料结构 (23)3.3碳纳米管/石墨稀复合材料的制备 (24)3.3.1电化学序列自组装沉积法 (24)3.3.2 CVD法 (25)3.4 碳纳米管/石墨烯复合材料研究进展 (25)4结论 (28)5 参考文献 (28)摘要自从2004年发现石墨烯以来，由于其和二维结构相关的优异性能，石墨烯很快就成为材料科学和凝聚态物理研究的热点课题。
碳材料领域专家盘点(石墨烯及碳纳米材料)
究员，博士生导师 主要从事新型强润一体化以及耐磨蚀 薄膜材料及其航空航天和船舶领域应用研究工作。
前不久碳材料领域专家盘点（石墨烯及碳纳米材料）本文为大家主要盘点石墨烯及碳纳米材料领域的部分 专家， 供大家参考， 排名不分先后， 如有遗漏欢迎补充指正。
Andre Geim 石墨烯发现者、 2010 年诺贝尔奖获得者、 欧学院院士、北京大学化学与分子工程学院教授、北京石墨烯以及电化学研究。
发展了纳米碳材料的化学气相沉积生长方 法学，建立了精确调控碳纳米管、石墨烯等碳材料结构的系 列生长方法，发明了碳基催化剂、二元合金催化剂等新型生长催化剂，提出了新的碳纳米管 “气 -固”生长模型等。
斌 香港中文大学电子工程系教授，材料科学与技术研究及光电子材料与器件探讨；纳米技术在固态电子材料和器件其所在团队成功突破石墨烯改性防腐涂料研发及应用的技盟石墨烯旗舰计划战略委员会主任。
刘忠范 中国科研究院院长主要从事低维材料与纳米器件、分子自组装兆平中科院宁波材料所高级研究员，博士生导师要从事石墨烯和动力锂离子电池及其材料技术等。
许建中心主任主要从事石墨烯及新型二维固态半导体电子中的应用（如扫描探针显微术和近场显微术， 纳米材料和器件构筑与表征）等。
王立平中科院宁波材料所研术瓶颈，开发出拥有自主知识产权的新型石墨烯改性重防腐主要研究方向有三维碳烯的拓扑 Node-Line 物性；结构与高压相变；表面吸附与重构；金属的高温非谐效子晶体材料的制备、物性与应用：高质量石墨烯及其宏观体 材料的 CVD 控制制备； 高品质石墨烯的化学法规模化制备； 石墨烯在锂离子电池和超级电容器方面的应用；石墨烯在柔性光电器件和储能器件方面的应用探索；石墨烯在热管理、法（CVD ）生长石墨烯薄膜与其它二维原子层材料、石墨烯/高分子复合材料、 三维石墨烯结构、 以及在热管理、 传感器、材料研究，合成水溶和油溶可加工石墨烯研究，基于石墨烯 的二维纳米能源材料和电子器件研究，基于石墨烯电极材料 在太阳能电池和场效应晶体管器件的应用研究，可控纳米结 构功能碳材料、 有机 /无机杂化材料的设计合成及其在能源储存和转化的应用研究（主要基于超级电容器，锂离子电池，涂料等。
碳纳米材料概述
碳纳米材料概述名字：唐海学号：1020560120前言纳米碳材料是指分散相尺度至少有一维小于100nm的碳材料。
分散相既可以由碳原子组成，也可以由异种原子（非碳原子）组成，甚至可以是纳米孔。
纳米碳材料主要包括三种类型：碳纳米管，碳纳米纤维，纳米碳球。
近年来，碳纳米技术的研究相当活跃，多种多样的纳米碳结晶、针状、棒状、桶状等层出不穷。
2000年德国和美国科学家还制备出由20个碳原子组成的空心笼状分子。
根据理论推算，包含20个碳原子仅是由正五边形构成的，C60分子是富勒烯式结构分子中最小的一种，考虑到原于间结合的角度、力度等问题，人们一直认为这类分子很不稳定，难以存在。
德、美科学家制出了C60笼状分子为材料学领域解决了一个重要的研究课题。
碳纳米材料中纳米碳纤维、纳米碳管等新型碳材料具有许多优异的物理和化学特性，被广泛地应用于诸多领域。
分类(1)碳纳米管碳纳米管是由碳原子形成的石墨烯片层卷成的无缝、中空的管体，一般可分为单壁碳纳米管、多壁碳纳米管和双壁碳纳米管。
(2)碳纤维分为丙烯腈碳纤维和沥青碳纤维两种。
碳纤维质轻于铝而强力高于钢，它的比重是铁的1／4，强力是铁的10倍，除了有高超的强力外，其化学性能非常稳定，耐腐蚀性高，同时耐高温和低温、耐辐射、消臭。
碳纤维可以使用在各种不同的领域，由于制造成本高，大量用于航空器材、运动器械、建筑工程的结构材料。
美国伊利诺伊大学发明了一种廉价碳纤维，有高强力的韧性，同时有很强劲的吸附能力、能过滤有毒的气体和有害的生物，可用于制造防毒衣、面罩、手套和防护性服装等。
(3)碳球根据尺寸大小将碳球分为：(1)富勒烯族系Cn和洋葱碳(具有封闭的石墨层结构，直径在2—20nm之间)，如C60，C70等；(2)未完全石墨化的纳米碳球，直径在50nm一1μm之间；(3)碳微珠，直径在11μm以上。
另外，根据碳球的结构形貌可分为空心碳球、实心硬碳球、多孔碳球、核壳结构碳球和胶状碳球等。
碳纳米材料
精品课件
碳纳米管的应用潜力
高性能纤维、复合材料 高导电、高导热纤维/复合材料 抗冲击防护材料 电磁屏蔽 锂电/超电容储能和电极材料 吸附和过滤材料 用于：航空航天、军工、能源、环境、机械、电子、生活
精品课件
石墨烯
精品课件
精品课件
20世纪70年代，Clar等利用化学方法合 成一系列具 有大共轭体系的化合物，即 石墨烯片。
Schmidt等科学家对其方法进行改进，合 成了许多含不同边缘修饰基团的石墨烯 衍生物，但这种方法不能得到较大平面 结构的石墨烯。
2004年，Geim等以石墨烯为原料，通过
微机械力剥离法得到一系列叫作二维原
子晶体的新材料——“石墨烯
（graphene）”
精品课件
石墨烯中各个碳原子之间的连接十分柔韧，当对其施加 外部机械力时，碳原子面就会弯曲变形，从而使碳原子 不必重新排列来适应这个外力，就保持了该材料结构的 稳定性。
同时，这种稳定的晶体结构也使石墨烯具有优秀的导电 性，石墨烯中的电子在轨道中移动时，不会因晶格缺陷 或引入外来原子而发生散射。
石墨烯因具有高的比表面积、突出的导热性能和力学性 能及其非凡的电子传递性能等一系列优异的性质。
精品课件
石墨烯独特的性能与其电子能带结构紧密相关。石墨烯 电子能带结构以独立碳原子为基，将周围碳原子产生的 势作为微扰，可以用矩阵的方法计算出石墨烯的能级分 布。在狄拉克点附近展开，可得能量与波矢呈线性关系 （类似于光子的色散关系），且在狄拉克点出现。这意 味着在费米面附近，石墨烯中电子的有效质量为零，这 也解释了该材料独特的电学等性质。
碳纳米材料
精品课件
碳纳米简介
碳纳米材料的含义：
纳米碳材料是指分散相尺度至少有一维小于100nm 的碳材料。分散相既可以由碳原子组成，也可以由异种 原子（非碳原子）组成，甚至可以是纳米孔。纳米碳材 料主要包括三种类型：碳纳米管，碳纳米纤维，纳米碳 球。
纳米材料—石墨烯、碳纳米管
纳米材料—石墨烯/碳纳米管1. 前言由于碳单质和化合物组成的多样性，碳及其化合物一直是材料、物理和化学领域的研究重点之一。
特别近三十年来，随着C60、碳纳米管(CNTs)、石墨烯(Graphene)等明星材料的相续发现，逐次将碳材料的研究推向高潮。
碳纳米管(CNT)和石墨烯(Graphene)分别在1991年和2004年被人们所发现。
碳纳米管是一种具有特殊结构的一维量子材料，它的径向尺寸可达到纳米级，轴向尺寸为微米级，管的两端一般都封口，因此它有很大的强度，同时巨大的长径比有望使其制作成韧性极好的碳纤维。
石墨烯是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成的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碳材料。
零维富勒烯、一维碳纳米管、二维石墨烯共同组成了骨干的碳纳米材料家族，并且它们之间可以在形式上转化（图1）。
图1 石墨烯及各种石墨形体石墨烯和碳纳米管在电学和力学等方面有着相似的性质，但由于结构不同，它们也有很多不同之处。
碳纳米管和石墨烯分别是优良的一维和二维碳材料，它们分别体现出了一维的和二维的各向异性，如导电性、力学性能和导热性等。
为了结合两者的优点，人们将石墨烯和碳纳米管共同用于复合材料。
石墨烯和碳纳米管复合材料形成三维网状结构，通过它们之间的协同效应，使其表现出比任意一种单一材料更加优异的性能，例如更好的各向同性导热性、各向同性导电性、三维空间微孔网络等特性。
基于以上性质，使得石墨烯/碳纳米管复合材料在超级电容器、太阳能电池、显示器、生物检测、燃料电池等方面有着良好的应用前景。
此外，掺杂一些改性剂的石墨烯/碳纳米管复合材料也受到人们的广泛关注，例如在石墨烯/碳纳米管复合电极上添加CdTe量子点制作光电开关、掺杂金属颗粒制作场致发射装置。
由此可见，石墨烯/碳纳米管复合材料越来越多的被人们所应用，也使得石墨烯/碳纳米管复合材料的制备和应用得到更加广泛的关注。
2. 石墨烯/碳纳米管复合材料的制备方法2.1 化学气相沉积法（CVD）CVD法因易于控制膜的组成及成份分散度而被广泛应用于制备石墨烯/碳纳米管复合膜。
碳纳米材料综述
碳纳米材料综述课程：纳米材料日期：2015 年12 月碳纳米材料综述摘要：纳米材料是一种处于纳米量级的新一代材料，具有多种奇异的特性，展现特异的光、电、磁、热、力学、机械等物理化学性能，这使得纳米技术迅速地渗透到各个研究领域，引起了国内外众多的物理学家、化学家和材料学家的广泛关注，也成为当前世界最热门的科学研究热点。
物理学家对纳米材料感兴趣是因为它具有独特的电磁性质，化学家是因为它的化学活性以及潜在的应用价值，材料学家所感兴趣的是它的硬度、强度和弹性。
毫无疑问，基于纳米材料的纳米科技必将对当今世界的经济发展和社会进步产生重要的影响。
因此，对纳米材料的科学研究具有非常重要的意义。
其中，碳纳米材料是最热的科学研究材料之一。
我们知道，碳元素是自然界中存在的最重要的元素之一，具有sp、sp2、sp3等多种轨道杂化特性。
因此，以碳为基础的纳米材料是多种多样的，包括常见的石墨和金刚石，还包括近几年比较热门的碳纳米管、碳纳米线、富勒烯和石墨烯等新型碳纳米材料。
关键词：纳米材料碳纳米材料碳纳米管富勒烯石墨烯1．前言从人类认识世界的精度来看，人类的文明发展进程可以划分为模糊时代（工业革命之前）、毫米时代（工业革命到20世纪初）、微米和纳米时代（20世纪40年代开始至今）。
自20世纪80年代初，德国科学家Gleiter提出“纳米晶体材料’，的概念，随后采用人工制备首次获得纳米晶体，并对其各种物性进行系统的研究以来，纳米材料己引起世界各国科技界及产业界的广泛关注。
纳米材料是指特征尺寸在纳米数量级（通常指1—100 nm）的极细颗粒组成的固体材料。
从广义上讲，纳米材料是指三维空间尺寸中至少有一维处于纳米量级的材料。
通常分为零维材料（纳米微粒），一维材料（直径为纳米量级的纤维），二维材料（厚度为纳米量级的薄膜与多层膜），以及基于上述低维材料所构成的固体。
从狭义上讲，则主要包括纳米微粒及由它构成的纳米固体（体材料与微粒膜）。
石墨烯与碳纳米管：一样的前生,不一样的今世
石墨烯与碳纳米管：一样的前生，不一样的今世精选|关键词:石墨烯, 碳纳米管2010年10月4日，诺贝尔物理学奖揭晓，获奖者是英国曼彻斯特大学物理和天文学院的Andre Geim和Konstantin Novoselov，获奖理由为“二维空间材料石墨烯（graphene）方面的开创性实验”。
从2004年石墨烯被成功剥离[1]至2010年斩获诺贝尔奖，是什么魔力让这一看似“普通”的碳材料在短短的6年时间内缔造了一个传奇神话？而回眸看其同族兄弟碳纳米管，自1991年被发现至今近20年，历经风雨，几经沉浮，不过是“为他人做嫁衣裳”。
石墨烯即为“单层石墨片”，是构成石墨的基本结构单元；而碳纳米管是由石墨烯卷曲而成的圆筒结构（图1）。
作为一维（1D）和二维（2D）纳米材料的代表者，二者在结构和性能上具有互补性。
从结构上来看，碳纳米管是碳的一维晶体结构；而石墨烯仅由单碳原子层构成，是真正意义上的二维晶体结构。
从性能上来看，石墨烯具有可与碳纳米管相媲美或更优异的特性，例如高电导率和热导率、高载流子迁移率、自由的电子移动空间、高强度和刚度等。
网上大多溢美之词：“Pencil + sticky tape = desktop supercollider + post-silicon processors”，“Material of the Future”，“A thoroughbred that has to be tamed”，“Electron superhighway”，...。
目前，关于碳纳米管的研究，无论在制备技术、性能表征及应用探索等方面都已经达到了一定的深度和广度。
组成及结构上的紧密联系，使二者在研究方法上具有许多相通之处。
事实上，很多针对石墨烯的研究最开始都是受到碳纳米管相关研究的启发而开展起来的。
图1 石墨烯与碳纳米管石墨烯的发展历程与碳纳米管极为类似。
在碳纳米管被发现之前，碳的晶体结构为代表[2]）。
碳纳米管(CNTs)
碳纳米管（CNTs）班级：材料化学班姓名：唐建学号：20110513427摘要：1991年日本NEC公司的饭岛纯雄(Sumio Iijima)首次利用电子显微镜观察到中空碳纤维，直径一般在几纳米到几十个纳米之间，长度为数微米，甚至毫米，称为“碳纳米管”。
从此便引发了碳纳米管研究的热潮和近十几年来碳纳米管科学和技术的飞速发展。
本文主要分为两部分：1、对纳米材料及碳纳米管的相关知识进行介绍2、于应用层次，讨论纳米材料及碳纳米管的应用前景关键字：纳米材料概述碳纳米管热点及应用1、引言生物科学技术、信息科学技术、纳米科学技术是下一世纪内科学技术发展的主流。
生物科学技术中对基因的认识，产生了转基因生物技术，可以治疗顽症，也可以创造出自然界不存在的生物；信息科学技术使人们可以坐在家中便知天下大事，因特网几乎可以改变人们的生活方式。
而纳米科学技术作为二十一世纪的主导产业，又将给人们带来怎样天翻地覆的改变呢？……2、理论知识2.1 纳米材料概述纳米材料:指晶粒尺寸为纳米级(10-9米)的超细材料。
从材料的结构单元层次来说，它处于宏观物质和微观原子、分子之间的介观领域。
在纳米材料中，界面原子占极大比例，而且原子排列互不相同，界面周围的晶格结构互不相关，从而构成与晶态、非晶态均不同的一种新的结构状态。
纳米科学技术：研究在千万分之一米(10-8)到亿分之一米(10-9米)内，原子、分子和其它类型物质的运动和变化的学问；同时在这一尺度范围内对原子、分子进行操纵和加工又被称为纳米技术。
2.2 纳米材料的特性2.2.1纳米材料的体积效应体积效应中的典型例子是久保理论。
其是针对金属纳米粒子费米面附近电子能级状态分布而提出的。
该理论把金属纳米粒子靠近费米面附近的电子状态看作是受尺寸限制的简并电子态，并进一步假设它们的能级为准粒子态的不连续能级，并认为相邻电子能级间距δ和金属纳米粒子的直径d的关系为:δ=4EF/3N ∞V-1 ∞1/d3（其中N为一个金属纳米粒子的总导电电子数，V为纳米粒子的体积；EF为费米能级）。
新型碳材料—碳纳米管及石墨烯的制备、修饰与初步应用研究
四、展望与建议
3、强化知识产权保护：鼓励创新和知识产权保护，为研究者提供良好的创新 环境。加强知识产权保护意识和措施，推动科技成果转化和应用。
四、展望与建议
4、政策引导和支持：政府可以通过制定相关政策、提供资金支持等方式引导 和支持碳材料产业的发展。
参考内容
引言
引言
随着科技的不断进步，新型材料的研发和应用越来越受到人们的。其中，表 面修饰炭黑、碳纳米管和石墨烯作为三种典型的纳米材料，具有独特性质和广泛 的应用前景。本次演示将详细介绍这三种材料的制备方法、性能特点以及目前的 研究进展。
2、石墨烯的制备
2、石墨烯的制备
石墨烯的制备方法主要包括剥离法、还原氧化石墨烯法、有机合成法等。其 中，剥离法是最常用的制备方法，通过将天然石墨逐层剥离得到单层或多层石墨 烯。还原氧化石墨烯法则通过将氧化石墨烯还原为石墨烯来制备。有机合成法可 以合成特定结构和功能化石墨烯，但成本较高。
3、碳纳米管和石墨烯的修饰
新型碳材料—碳纳米管及石墨 烯的制备、修饰与初步应用研
究
目录
01 一、碳纳米管和石墨 烯的定义与特点
02 二、碳纳米管和石墨 烯的制备与修饰方法
03
三、碳纳米管和石墨 烯的应用领域
04 四、展望与建议
05 参考内容
内容摘要
随着科技的快速发展，新型碳材料碳纳米管和石墨烯因其独特的结构和性能 在材料科学、能源、生物医学等领域引起了广泛。本次演示将详细探讨这两种碳 材料的制备、修饰方法及其在各个领域的应用。
四、展望与建议
2、纯度和稳定性：提高碳材料的纯度和稳定性是拓展其应用领域的重要前提。 需要加强质量控制和技术创新，以满足不同领域对材料性能的需求。
四、展望与建议
碳材料的拉曼光谱(石墨烯,碳管等)
一维碳材料--碳纳米管
碳纳米管(Carbon nanotube)是1991年才被发现的一种碳结构。 理想纳米碳管是由碳原子形成的石墨烯片层卷成的无缝、中空的管体 SWNT的直径一般为1－6 nm，最小直径大约为0.5 nm，直径大于6nm 以后特别不稳定，会发生SWNT管的塌陷，长度则可达几百纳米到几个微米 MWNT的层间距约为0.34纳米，直径在几个纳米到几十纳米，长度一般在微 米量级，最长者可达数毫米 碳纳米管中的碳原子以sp2杂化，但是由于存在一定曲率 所以其中也有一小部分碳属sp3杂化
Graphite: G峰单一，尖锐 对应q==0, mode E2g
Nanotubes: 两个峰 G+ 和 G-. 起源于 graphite E2g Metallic semiconducting
G峰的振动模式及其性质
G+: no diameter dependence LO axial
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。
D--band的发现及其研究
1970年最先报道了无序诱导的D模。 1981年，一些人利用不同的激发光能量研究了石墨的拉曼光谱，得出D 模频率随激发光能量的线性移动。斜率在40~50cm-1/ev之间。 1990年，一些人通过实验总结了D模强度和样品中各种无序或缺陷的相 互关系，证明无论石墨存在任何形式的无序，D模都会出现。
无序诱导的D-band的产生---双共振拉曼散射
D,2D-Band-Double Resonance
D-Band G-Band
K
பைடு நூலகம்580 cm
碳纳米管和石墨烯简介
柔性传感器
石墨烯的高灵敏度和柔韧性可用 于制造柔性传感器，可应用于医
疗、环境监测等领域。
传感器领域
气体传感器
石墨烯对气体分子的高灵敏度可用于制造高灵敏度的气体传感器 ，可应用于环境监测、工业过程控制等领域。
生物传感器
石墨烯的生物相容性和高导电性可用于制造生物传感器，可应用于 医疗诊断、生物分子检测等领域。
碳纳米管可作为药物载体，实现药物 的定向输送和缓释。
05 石墨烯应用前景
柔性电子器件领域
柔性显示屏
石墨烯的高导电性和柔韧性使其 成为制造柔性显示屏的理想材料 ，可应用于手机、可穿戴设备等
。
柔性电池
石墨烯的高导电性和大面积制备 能力使其成为制造柔性电池的关 键材料，可应用于可穿戴设备、
电动汽车等领域。
制备方法
机械剥离法
化学气相沉积法（CVD）
氧化还原法
液相剥离法
利用胶带反复剥离石墨片层， 得到单层或多层石墨烯。此方 法简单易行，但产量低且尺寸 难以控制。
在高温下，利用含碳气体在金 属基底上催化裂解生成石墨烯 。此方法可制备大面积、高质 量的石墨烯，但需要高温高压 条件，成本较高。
通过化学方法将石墨氧化成氧 化石墨，再经过还原处理得到 石墨烯。此方法产量较高，但 所得石墨烯缺陷较多，性能较 差。
激光烧蚀法
使用高能激光脉冲照射石 墨靶材，使石墨蒸发并在 惰性气体中冷凝形成碳纳 米管。
02 石墨烯概述
定义与结构
石墨烯定义
石墨烯是一种由单层碳原子以sp2杂化方式形成的二维材料，具有蜂窝状晶格 结构。
原子结构
石墨烯中的每个碳原子都与周围三个碳原子通过σ键相连，形成稳定的六边形网 格。剩余的π电子在垂直于平面的方向上形成离域大π键，赋予石墨烯良好的导 电性。
碳基纳米材料的制备与表征
碳基纳米材料的制备与表征碳基纳米材料是一类具有许多独特性质和广泛应用前景的材料，其制备和表征在纳米科学和材料科学领域中备受关注。
本文将探讨碳基纳米材料的制备方法和表征技术，并介绍其在能源存储、催化剂和生物医学等领域的应用。
1. 制备方法碳基纳米材料的制备方法多种多样，常见的包括碳纳米管的化学气相沉积法、碳纳米片的溶剂剥离法、石墨烯的机械剥离法等。
其中，碳纳米管的制备是研究者关注的焦点之一。
在化学气相沉积法中，研究者通常采用金属催化剂和碳源作为原料，通过控制气氛和温度等条件，使碳原子在金属催化剂表面形成纳米管状结构。
这种方法制备的碳纳米管具有优良的导电性和力学性能，广泛应用于电子器件和材料强化领域。
此外，石墨烯的制备也是研究的热点之一。
石墨烯是由单层碳原子组成的二维晶体结构，具有优异的导电性和机械性能。
机械剥离法是制备石墨烯的常用方法，它通过在石墨表面施加机械力，将石墨层层剥离至单层厚度。
这种方法制备的石墨烯薄片可用于制备柔性电子和生物传感器等器件。
2. 表征技术为了准确地了解碳基纳米材料的结构和性质，研究者采用了多种表征技术。
常用的表征技术包括扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、拉曼光谱和X 射线衍射(XRD)等。
这些技术能够提供材料的形貌、结晶度和化学成分等信息，对于研究材料的性能和应用具有重要意义。
SEM和TEM是观察纳米材料形貌和结构的重要手段。
SEM通过扫描样品表面的电子束，获得样品表面的显微图像，适用于观察纳米材料的形貌和微观结构。
TEM则通过透射样品的电子束，获得样品的透射图像，可用于观察纳米材料的晶体结构和层间间距。
这两种技术结合使用，可以全面地了解材料的结构和形貌。
此外，拉曼光谱和XRD能够提供材料的化学组成和结晶度信息。
拉曼光谱通过照射样品表面的激光束，测量样品对光的散射，得到材料的拉曼光谱图。
不同的化学键和晶格振动会导致不同的拉曼峰位置和强度，通过分析这些峰可以确定材料的化学组成和结构。
碳纳米管和石墨烯的关系
碳纳米管和石墨烯的关系
碳纳米管（Carbon Nanotubes, CNTs）和石墨烯（Graphene）都是由单层的碳原子组成的二维材料。
石墨烯是一种蜂巢状的碳结构，每个碳原子与另外三个碳原子形成稳定的共价键，形成一个六边形的平面网络。
相比之下，碳纳米管是由一层或多层石墨烯卷曲而成的管状结构，这些层以螺旋的方式卷曲，形成了三维的纳米级管道。
尽管两者都源自相同的碳元素，它们的结构和性质有显著的不同。
碳纳米管的内部结构类似于细长的隧道，而石墨烯则是片状的平面结构。
此外，碳纳米管的直径可以变化，而石墨烯是一个固定的二维结构。
在应用上，这两种材料也有所区别，各自在不同的领域有着广泛的应用前景
1。
石墨烯对比碳纳米管材料
石墨烯对比碳纳米管材料2005年，国际半导体技术线路图(ITRS)委员会首次明确指出在2020年前后硅基CMOS技术将达到其性能极限。
后摩尔时代的集成电路技术的研究变得日趋急迫，很多人认为微电子工业在走到7纳米技术节点之后可能不得不面临放弃继续使用硅材料作为晶体管导电沟道。
在为数不多的可能替代材料中，碳基纳米材料被公认为最有可能替代硅材料。
2008年ITRS新兴研究材料和新兴研究器件工作组在考察了所有可能的硅基CMOS替代技术之后，明确向半导体行业推荐重点研究碳基电子学，作为未来5~10年显现商业价值的下一代电子技术。
美国国家科学基金委员会(NSF)十余年来除了在美国国家纳米技术计划中继续对碳纳米材料和相关器件给予重点支持外，在2008年还专门启动了“超过摩尔定律的科学与工程项目”，其中碳基电子学研究被列为重中之重。
其后美国不断加大对碳基电子学研究的投入，美国国家纳米计划从2010年开始将“2020年后的纳米电子学”设置为3个重中之重的成名计划(signatureinitiatives)之一。
除美国外，欧盟和其他各国政府也高度重视碳纳米材料和相关电子学的研究和开发应用，布局和继续抢占信息技术核心领域的制高点。
碳纳米管材料中，最有可能替代硅的有两个，碳纳米管和石墨烯。
在石墨烯获得诺贝尔奖之前，碳纳米管一直被认为是最有可能代替硅的半导体材料，而如今，由于石墨烯在全球范围内的狂热，似乎有代替碳纳米管之势，那么，石墨烯和碳纳米管，究竟谁能堪当大任呢？碳纳米管集成电路的研发优势与发展现状1991年，日本NEC公司的饭岛澄男在高分辨透射电子显微镜下检验石墨电弧设备中产生的球状碳分子时，意外发现了由碳分子组成的管状同轴纳米管，也就是现在被称作的碳纳米管CNT，又名巴基管。
碳管材料具有极为优秀的电学特性。
室温下碳管的n型和p型载流子(电子和空穴)迁移率对称，均可以达到10000cm2/(V？s)以上，远超传统半导体材料。
碳纳米材料简介
碳纳米材料简介碳元素碳在元素周期表中排第六位，是自然界分布非常广泛的元素，也是目前最重要、最使人着迷的元素之一。
尽管它在地壳中含量仅为0.027%，但是对一切生物体而言，它是最重要且含量最多的元素，人体中碳元素约占总质量的18%。
碳元素是元素周期表中ⅣA族中最轻的元素。
它存在三种同位素：12C、13C、14C。
碳单质有多重同素异形体，他是迄今为止人类发现的唯一一种可以从零围到三维都稳定存在的物质。
如零维的富勒烯（fullerenes），一维的碳纳米管（carbon nanotubes），二维的石墨烯（graphene），三维的金刚石（diamond）和石墨（graphite）等。
碳纳米材料富勒烯富勒烯是指完全由碳原子组成的具有空心球状或管状结构的分子。
1985年，Kroto，Smalley和Curl在美国莱斯大学发现了第一个富勒烯分子――C60。
这一发现使得他们赢得了1996年的诺贝尔化学奖。
C60由60个原子组成，包含20个六元环和12个五元环。
这些环平面堆积在一起的方式和足球的表面结构一样，因此也也被称为足球烯。
从那以后，不同分子质量和尺寸的富勒烯纷纷被制备出来。
C60的发现和研究开启了对碳元素和碳纳米材料广泛、深入研究的新时代，对纳米材料科学和技术的发展起到了极大的推动作用。
由于其独特的结构，富勒烯同时具有芳香化合物和缺电子烯烃的性质，表现出很多优良的物理和化学性质（表1-1）表1-1 C60的一些基本物理和化学性质形态密度电阻率相变温溶解化学特性范德毒性度性华直径可溶具有芳香黑色800℃ 于常性、多烯特 33固体 1.65g/cm 4.5*10升华见有性及优良的1.1nm 无毒Ω2cm 机溶电化学特性剂碳纳米管碳纳米管（carbon nanotubes）是由碳原子形成的管状结构分子，包括单壁碳纳米管（single-walled carbon nanotubes,SWNTs）和多壁碳纳米管（multi-walled carbon nanotubes，MWNTs）。
纳米材料论文—石墨烯
纳米科技前沿Page1of 18题目：纳米材料——石墨烯摘要随着纳米材料的快速发展，纳米材料有着众多优秀的理化性质，同时，还包括在应用领域优秀的应用性能，本文从纳米材料的基本性质出发，叙述纳米材料的特有性质，继而本文叙述了对于标志这纳米材料发展的有着重要意义的三种材料——富勒烯，碳纳米管，石墨烯。
而本文的核心是关于目前最具前景的纳米材料——石墨烯。
石墨烯是一种碳纳米二维材料，原子以sp2杂化轨道方式构成，平面像六角的蜂巢结构，质料非常牢固坚硬，在室温状况，传递电子的速度比已知导体都快，而全材料仅一个碳原子厚度，是全世界已知材料最薄的材料。
本文从石墨烯的发展历史出发，叙述石墨烯的优异理化性质，最后叙述石墨烯的不同制备方法以及该方法的优劣之处。
关键词：石墨烯理化性质制备方法AbstractWith the rapid development of nanomaterials, nanomaterials have many excellent physical and chemical properties, as well as excellent application properties in the field of application. Starting from the basic properties of nanomaterials, this paper describes the unique properties of nanomaterials, and then describes three kinds of materials which are of great significance to mark the development of nanomaterials: fullerenes, carbon nanotubes, carbon nanotubes, Graphene. The core of this paper is about the most promising nano material graphene.Graphene is a kind of carbon nano two-dimensional material. The atoms are composed of SP2 hybrid orbitals. The plane is like a hexagonal honeycomb structure. The material is very firm and hard. At room temperature, the speed of electron transfer is faster than that of known conductors. The whole material is only one carbon atom thick, which is the thinnest known material in the world. Starting from the development history of graphene, this paper describes the excellent physical and chemical properties of graphene, and finally describes the different preparation methods of graphene and the advantages and disadvantages of this method.Key words: physical and chemical properties of graphene, preparation methods.目录1纳米材料概述 (4)1.1纳米材料 (4)1.2纳米材料的基本特性 (4)1.2.1 表面效应 (4)1.2.2 小尺寸效应 (4)1.2.3 磁学性质 (6)1.2.4 量子尺寸效应 (6)1.2.5 宏观量子隧道效应 (6)1.2.6 纳米材料奇特的物理性能 (7)1.3纳米材料的发展 (7)1.3.1 富勒烯 (7)1.3.2 碳纳米管 (9)1.3.3 石墨烯 (10)2石墨烯 (13)2.1石墨烯概述 (13)2.2石墨烯的性质 (13)2.2.1 结构性质 (13)2.2.2 电子性质 (14)2.2.3 其他性值 (16)2.3石墨烯的制备 (16)2.3.1 机械剥离法 (17)2.3.2 碳化硅表面外延生长法 (17)2.3.3 化学气相沉积法 (18)2.3.4 氧化石墨还原法 (18)3参考论文............................................................................................ 错误!未定义书签。
纳米碳材料
3).纳米电子器件 由于碳纳米管壁能被某些化学反 应所“溶解”，因此它们可以作为易于处理的模 具。只要用金属灌满碳纳米管，然后把碳层腐蚀 掉，即可得到纳米尺度的导线。目前，除此之外 无其他可靠的方法来得到纳米尺度的金属导线。 本法可进一步地缩小微电子技术的尺寸，从而达 到纳米的尺度。理论计算表明，碳纳米管的电导 取决于它们的直径和晶体结构。某些管径的碳纳 米管是良好的导体，而另外一些管径的则可能是 半导体。
催化纤维和膜工业 畔梁及其研究组将硫酸工业和石 油化工中应用的重要的催化剂氧化钒灌注进或涂覆 在碳纳米管上，氧化钒有时可以到达纳米管管壁的 石墨层的间隙中。用氧把碳管氧化掉，就只剩下全 部由氧化钒组成的超小型纤维，形状颇似纳米管。 这种被制成纳米纤维的氧化钒，因其有极高的表面 积，催化效果大大加强。除氧化钒外，碳纳米管还 可作为其他金属和金属氧化物催化剂的载体，最大 限度地提高催化剂的效率。碳纳米管“列阵”制成 的取向膜，可被用作场发射器件，也可被制成滤膜 ，由于膜也为纳米级，可对某些分子和病毒进行过 滤，从而使超滤膜进入一个崭新的天地。
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。目前在工业上常用的增强型纤维中，决定强度 的一个关键因素是长径比，即长度和直径之比。目前材料 工程师希望得到的长径比至少是20:1，而碳纳米管的长径 比一般在1000:1以上，是理想的高强度纤维材料。2000年 10月，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”。
1.高强度碳纤维材料 决定增强型纤维强度的一个 关键是长度和直径之比。目前材料材料工程师希 望得到的长度直径比至少是20∶1。然而，即使在 现在能得到的以纳米计算的长度中，纳米管的长 度也是直径的几千倍，因而号称“超级纤维”。 它们的强度比钢高100倍，但重量只有钢的六分之 一。它们非常微小，5万个并排起来才有人的一根 头发那么宽。
碳纳米管,石墨烯,炭黑的关系
碳纳米管,石墨烯,炭黑的关系
碳纳米管、石墨烯和炭黑都是碳的同素异形体，它们之间有一定的关系。
石墨烯是一种由单层碳原子组成的二维材料，具有优异的导电性、导热性和强度等性能。
而碳纳米管则是一种由碳原子组成的中空管状结构，可以是单壁或多壁结构，具有优异的力学性能和电学性能。
炭黑则是一种由碳原子组成的粉末状物质，通常用于橡胶、塑料、涂料等领域，具有良好的导电性和黑色着色性。
碳纳米管和石墨烯都是由碳原子组成的，但它们的结构和性能有很大的不同。
碳纳米管可以看作是由石墨烯卷曲而成的，因此它们在一定程度上具有相似的性能，例如高导电性、高强度等。
但碳纳米管的直径比石墨烯要小很多，因此它们的性能也有所不同，例如碳纳米管的力学性能比石墨烯更好。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
2吨
哥伦比亚大学的研究生，来自 中国的韦小丁和韩裔李琩钴。
超坚韧的 防弹衣 纸片般薄的超轻型飞机材料
球拍
制作假肢
钓鱼竿
强度
比世界上最好的钢铁高100倍
美国国家航空航天局（NASA）悬赏 400万美金
石墨烯——目前最强功能材料
世界上导电性最好的材料
各碳原子之间的连接非常柔韧，当施 加外部机械力时，碳原子面就弯曲变 形，从而使碳原子不必重新排列来适 应外力，也就保持了结构稳定。
Andre Geim Konstantin Novoselov
获奖
2010年 诺贝尔物理学奖
富勒烯
碳纳米管
石墨
建筑师巴克敏斯特· 富勒的设计之一
富勒烯（或者巴基球，C60 ， 足球烯的结构）
碳纳米管
在1991年日本NEC公司的电子 显微镜专家饭岛澄男(Iijima) 检 验石墨电弧设备中产生的球状碳 分子时，意外发现了由 “Carbon nanotube”，即碳纳米 管
10m
1km
100km
1万km
单电子晶 体管
柔性晶体 管
宇宙电梯
两极性晶 体管
LSI 总体布 线
在研
裸 眼
光学显微镜
可见光波段：400-700nm
电子显微镜（SEM）
~ 10kV
5 mm
SEM 光学显微图
电子显微镜（LEEM）
I. 由低能量的弹性背散射电 子成像．典型能量为 130eV； II. 横向分辨率已达15nm， 纵向分辨率达到原子级。
经典2维电子气
相对论粒子
电子在其中的运动速度达到了光速的1/300
石墨烯——目前最强功能材料
世界上导电性最好的材料
1. 电子能够极为高效地迁移（而传统的半导体和导体，例如硅 和铜，远没有石墨烯表现得好）。 2. 电子能量不会损耗。由于电子和原子的碰撞，传统的导体和
半导体以热的形式释放了一些能量，目前一般的电脑芯片以
复合材料填料
仅就使用量而言，复合材料用填料是碳纳米管目前最大的应用领域 可用于制备高性能化和多功能性兼备的纳米复合材料 小尺寸特点决定了其聚合物复合材料可通过通用型聚合物加工设备进行生产
生物、医药领域
利用其高强度和柔韧性制备人造肌肉、人造骨骼等
药物输运(drug delivery)
碳纳米管的分类
SWNT
• 按石墨烯的层数分类
MWNT
(1)单壁碳纳米管（SWNT）：只有一个石墨烯层 (2)多壁碳纳米管（MWNT）：有两个或两个以上石墨烯层
MWNT
可视为“同轴多层碳圆柱体的组装体”– Russian doll 层间距~0.34 nm (石墨片层间距0.335 nm)
力学性能
• 高机械强度：钢100倍强度，1/6重量 • 高长径比: 103数量级
• 高比表面: 400-500m2/g
碳纳米管的特性
热学性能
管轴平行方向的热交换性能很高，但在其垂直方向的热交换性能较低。 热高各向异性材料。
电学性能
• 碳纳米管具有开放的多孔结构，并能在与电解质的交界面形成双电层， 从而聚集大量电荷，具有制备高性能超级电容器的潜质； • “内腔含水的”单根单壁碳纳米管：管中的自由载流子与管内的水分 子会产生一定程度的耦合，可以产生‘电动马达’和‘发电机’效应； • 由量子限域效应带来的金属性和半导体性
……
“纳米奥巴马”
每个纳米奥巴马头像包含着1.5 亿个碳纳米管，这些碳纳米管像 丛林中的树木一样垂直地排列着。
“纳米暖男”——碳纳米管升级装备
称量一亿分之二百克的 “纳米秤”
“拉开纳米管制备石墨烯”
Nanotube Covers
石墨烯
透明胶带 SiO2
HOPG
高定向裂解石墨
Si
“完美二维晶体结 构无法在非绝对零 度下稳定存在”
4. 化学还原
2 g of sample
Ethanol 5 ml Sodium 2 g
0.5 g graphene (0.1 g per ml)
TEM
220 ºC 72 hr
Rapidly pyrolyzed
Sealed vessel
200 nm
5. 化学还原
我愿意成为第二种人， 当然我会像平常一样走 进办公室，继续努力工 作，继续平常生活。
• • • • • • • • 石墨电弧放电法 化学气相沉积法 激光蒸发法 等离子体法 热解聚合物法 离子辐射法 催化裂解法 电解法
管径均匀且结构可控 纯度高、成本低 连续批量生产
碳纳米管的特性
导电性
天梯材料的唯一选择
超长单壁碳纳米管细丝(直径50～500 nm) 在90～300K间， 电阻率ρ=5～7μΩ/m
原子力显微镜（AFM）
扫描隧道显微镜（STM）
石墨烯的制备：
微机械剥离法 碳纳米管横向切割法 微波法
电弧放电法 光照还原法 外延生长法
石 墨 烯 的 制 备 方 法
石墨氧化还原法
电化学还原法
溶剂热法 液相剥离石墨法
碳化硅裂解法
化学气相沉积法
1. 石墨
HOPG
Pencil
2. 碳化硅（SiC）
微观结构至少在一维方向上受纳米尺度(1-100nm) 调制的碳材料，或以其为基本单元构成的材料。
a c b
a < 100 nm or b < 100 nm or c < 100 nm
碳纳米材料的分类
零维C60 (Fullerene)
一维碳纳米管 (Carbon Nanotube)
二维石墨烯 (Graphene)
获得诺贝尔奖的有两种人：一种 是获奖后就停止了研究，至此终 老一生再无成果；一种是生怕别 人认为他是偶然获奖的，因此在 工作上倍加努力。
海姆（左）和诺沃肖洛夫在英国曼彻斯特大学
谢谢大家！
海姆（左）和诺沃肖洛夫
01
最薄最轻
高
室温下为200,000 cm2/Vs（硅的100倍）， 理论值为1,000,000 cm2/Vs
03
电流密度耐性最大
2108 A/cm2(Cu的100倍)
04
强度最大
破坏强度：42N/m，杨氏模量与金刚石相当
碳纳米管的应用
储氢材料
室温、1bar压力下，SWNT可储氢5-10wt%，MWNT则为14wt%
可逆储/放氢量~5 wt%，迄今为止最好的储氢材料
嵌入碱金属后，能极大地提高储氢性能
分子（纳米）器件
催化剂载体
比表面积大，表面原子与总原子比率可高达50％ 气体通过碳纳米管的扩散速度为通过常规催化剂颗粒的上千倍 担载后，催化剂的反应活性和选择性指数级上升，对传统的化学合成工业将产生革命性的影响
1. 碳纳米材料的定义
2. 碳纳米材料的分类 3. 碳纳米管
4. 石墨烯
碳元素的地位
1. 碳在地球中的丰度居元素的第14位；
2. 碳元素是形成物种最多的元素之-----有机物更是生命的根本； 3. 碳是生铁、熟铁和钢的成分之一；
碳元素的地位
金刚石 巴基球
晶型碳
石墨
巴基葱 富勒碳
碳纳米管
石墨烯
碳纳米材料
armchair
zigzag chiral
n=m
n=0 n ≠ m, m ≠ 0
根据电子结构的不同，SWNT可分为 金属性 半导体性 (n-m)/3为整数 (n-m)/3为非整数
单石墨片层
armchair型SWNT
zigzag型SWNT
chiral型SWNT
碳纳米管的制备方法
Si atom Excess C atom SiC
SiC starting surface
UHV-grown graphene
Ar-grown graphene
• LEED点阵能反映表面重构的信息， 来判定是否有graphene的行成 • 实时俄歇电子谱测量最外层Si:C比 • STM图像能看到Graphene的单个原子
Better chemistry, better life!
材料化学 Chemistry of materials
朱连文
生物与化学工程学院
“纳米奥巴马”
“纳米硬汉”
“纳米暖男”
“太空电梯”
“网格球顶”
碳纳米材料 Carbon Nanomaterials
碳纳米材料 (Carbon Nanomaterials)
摩尔定律
IC上可容纳的晶体管数目，约每隔18个月便会增加一倍，性能 也将提升一倍。
石墨烯的出现可能会将摩尔定律延续下去，2025年以后可能 是从“硅”时代跨越到“石墨烯”时代。
石墨烯——目前最强功能材料
透明
1. 几乎是透明的（2.3％的光可被吸收；97.7％的光可被 传输）； 2. 光的饱和吸收。 透明导电膜
柔性
可弯曲、折叠
传导
超薄
透明
柔性
高性能传感器功能
类似“催化剂”的功能 吸氢功能 双极性半导体
可检测出单个有机分子
添加少量至树脂材料等，可强化 电子输送功能 已在低温下确认具有一定效果 无需添加剂即可实现CMOS构造 的半导体元件
常温下可实现无散射传输
只需变形即可获得事假强 磁场的电子能量效果
05
导热率最高
3000-5000 W/mK（与CNT相当）
石墨烯——目前最强功能材料
石墨烯 包装袋
迄今为止世界上强度最大的材料
Graphene Measurement of the Elastic Properties and Intrinsic Strength of Monolayer Science 321, 385 (2008);