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碳纳米材料优势及品质控制
碳纳米材料优势及品质控制碳纳米材料是一类由碳元素组成的纳米尺度材料，具有独特的物理、化学和力学性质。
在过去几十年里，碳纳米材料已经在诸多领域展现出了巨大的潜力和广泛的应用。
本文将介绍碳纳米材料的优势以及品质控制的重要性。
首先，碳纳米材料具有高比表面积的优势。
由于其纳米级的尺寸，碳纳米材料拥有巨大的比表面积，这使得它们具有出色的吸附和催化性能。
比表面积越大，材料与周围环境的接触面积就越大，从而提高了材料的反应效率和吸附能力。
例如，碳纳米管具有高比表面积和优异的导电性能，已被广泛应用于电池、催化剂和传感器等领域。
其次，碳纳米材料具有优异的机械性能。
由于碳原子之间的强键结合，碳纳米材料具有出色的机械强度和刚度。
碳纳米材料不仅具有高拉伸强度和弹性模量，而且还具有出色的耐磨性和抗腐蚀性。
这使得碳纳米材料在材料加工和结构设计中具有巨大的潜力。
例如，碳纳米纤维可以增强复合材料的力学性能，用于航空航天、汽车和船舶等领域。
此外，碳纳米材料还具有优异的电子和光学性能。
碳纳米材料，如石墨烯和碳纳米管，表现出了与传统材料完全不同的电子运输和光学特性。
石墨烯具有高载流子迁移率和极低的电阻率，被认为是下一代电子器件的理想材料。
而碳纳米管则具有优异的光学吸收和发射性能，适用于光电子器件和光学传感器等领域。
这些优异的电子和光学性能使得碳纳米材料在纳米电子和纳米光子学中具有广阔的应用前景。
然而，要实现上述碳纳米材料的优势，品质控制显得至关重要。
品质控制涉及到多个方面，包括材料的纯度、形貌、尺寸以及结构等。
首先，高纯度的碳纳米材料对于确保其性能的一致性和可靠性至关重要。
杂质和缺陷会显著影响材料的物理和化学性质，降低其性能。
因此，采用高效的材料合成和纯化技术是品质控制的重要一环。
其次，形貌和尺寸的一致性也是品质控制的关键。
碳纳米材料的形貌和尺寸决定了其物理和化学性质，在应用中起着重要作用。
例如，碳纳米管的直径和长度对其电子输运性能有较大影响，因此确保形貌和尺寸的一致性是品质控制的重要任务。
碳纳米材料报告
DNA与C60结合的模拟
（3）电化学性能 碳纳米管其独特的结构特点导致其具有优异的导电能力，它不单单可以呈现出半导体的特性，而且 可以呈现出导体性，乃至金属性等特征。
（4）光学性能 碳纳米管具有不同于常规晶态与非晶态的光学特性，既包含线性光学性质，又具有非线性光学性质， 其中碳纳米管的非线性光学性质已被广泛研究。 （5）磁学性能 碳在常温下是一种抗磁性物质，但不同情况下碳纳米管却表现出不一样的磁性能。
几种典型的碳纳米材料
石墨烯：一种由碳原子以sp²杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的二维
碳纳米材料。 两位英国物理学家用微机械剥离法成功从石墨中分离出石墨烯， 因此共同获得2010年诺贝尔物理学奖。
几种典型的碳纳米材料
几种种典型的碳纳米材料
世界上最薄的灯泡
哥伦比亚工程学院等学校的科学家小组经过研究，用石墨烯造出 了一种光源材料。他们把小条状的石墨烯粘附在金属电极上，利用 电流使其升温，当温度足够高是，石墨烯就亮了。
哈工大世界首例双引擎人造微纳米机器
碳纳米材料的介绍
碳纳米材料定义：
纳米碳材料是指微观结构至少有一维方向1-100nm的碳材料。 碳元素是自然界中存在的与人类最密切相关、最重要的元素之一，它具有SP、SP2、 SP3杂化的多样电子轨道特性，在加之SP2的异向性导致晶体的各向导性和其它排列的各 向导性，因此以碳元素为唯一构成元素的碳素材料具有各式各样的性质。
几种典型的碳纳米材料
石墨烯具有优异的光学、电学、力学特性，在材料学、微纳加工、能源、生物 医学和药物传递等方面具有重要的应用前景，被认为是一种未来革命性的材料。
几种典型的碳纳米材料
石墨：是元素碳的一种同素异形体，每个碳原子的周边连结着另
外三个碳原子伸展成片状结构相互叠加而成。
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。
碳纳米材料在聚合酶链式反应中的
结合人工智能和机器学习技术 ，预测和优化碳纳米材料在
PCR中的应用效果。
THANKS
感谢观看
碳纳米材料具有优异的热导性能 ，可以快速地传递热量，从而加
速聚合酶链式反应的进程。
良好的生物相容性
碳纳米材料具有良好的生物相容 性，可以与生物分子很好地结合 ，从而在聚合酶链式反应中得到
广泛应用。
碳纳米材料在聚合酶链式反应中的挑战
制备困难
碳纳米材料的制备过程较 为复杂，而且需要使用大 量的有机溶剂，这对环境 具有污染性。
碳纳米材料在聚合酶链式反应中的
汇报人： 2023-11-25
目录
• 碳纳米材料简介 • 聚合酶链式反应简介 • 碳纳米材料在聚合酶链式反应中的应用 • 碳纳米材料在聚合酶链式反应中的优势与挑战 • 结论
01
碳纳米材料简介
Chapter
碳纳米材料的定义与性质
碳纳米材料定义
碳纳米材料是一种由碳原子组成 的纳米级材料，通常指碳纳米管 、碳纳米纤维等。
易于修饰和功能化
碳纳米材料可以通过化学方法进行 修饰和功能化，以增加其与DNA的 结合力和特异性，同时也可以增加 其应用范围。
碳纳米材料作为信号放大的应用
高效的信号放大
碳纳米材料具有高比表面积和大孔容，可以有效地将信号放大， 提高检测的灵敏度和准确性。
良好的光学和电学性能
碳纳米材料具有优异的光学和电学性能，可以作为信号放大的理想 选择。
03
碳纳米材料在聚合酶链式反应 中的应用
Chapter
碳纳米材料作为DNA模板的应用
1 2
高特异性和灵敏度
碳纳米材料具有高比表面积和优异的导电性能， 可以显著提高DNA模板的特异性和灵敏度。
专题二 碳纳米材料
碳纳米管的性能
• • • • • 优良的力学性能 特殊的磁性能 高的电导率和扩散率 高的反应活性和催化性能 吸收电磁波
a) 通过控制催化剂在衬底上的分布来获得碳纳米的定向组装生长 b) 多次连续进给碳源和催化剂可以获得超长(8.9mm)定向碳纳米管阵列
碳纳米管的物理纯化
碳纳米管组成:碳纳米颗粒、石墨碎片、催化剂和碳纳米 管等. 物理分离方法:利用不同组分的形态、比重、电性、大小等 ① 离心分离 ② 电泳纯化法
碳纳米管的性能 • 力学性能
通过TEM测量碳纳米管自由尖端热振动的振动频率估
算得到碳纳米管的杨氏模量>1.0TPa，强度为钢的100倍， 但密度为钢的1/6；
SWNT具有一定的柔性，在大的应力下不发生脆性断裂； AFM拉伸试验表明，MWNT的拉伸强度为11～63GPa； SPM径向压缩试验表明，对于直径为10nm的纳米管，
碳纳米管的结构
• 种类：按手性角(或螺旋角)()分
＝30
＝0
0<<30
锯齿纳米管
单臂纳米管
手性纳米管
碳纳米管制备方法
①电弧法
He气
阴极 1mm 阳极
在阴极上沉积出碳纳米管 阳极石墨蒸发
• 电弧电流70～200A，过高形成无定型C和石墨
• He压力>13332Pa • 高气压低电流有利于碳纳米管的生成 • 在石墨棒上加Fe、Co、Ni后生成SWNT和富勒烯
理论计算显示
碳纳米管的性能
• 电学性能
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）。
第八章 碳纳米材料
C60的制备（1）
XI’AN JIAOTONG UNIVERSITY
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。
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。
9
石墨的物理性质
1)
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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。 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。 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。
C60 1985发现 1996获奖
2
提纲
第一节 碳，纳米材料中不可或缺的一员
X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)
碳的同素异形体“相”图
6
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
纳米碳材料
五.纳米碳材料的合成方法：
（1）激光蒸发石墨法[33] 此方法是在使用金 属催化剂的情况下，用脉冲激光轰击石墨表面， 在石墨表面产生纳米级碳材料。 （2）等离子体喷射沉积法[34] 此方法是将离 子喷射的钨电极(阴极)和铜电极(阳极)进行水冷却 ，当Ar/He载气挟带苯蒸气通过等离子体炬后，会 在阳极的表面上沉积出含有纳米级碳材料的碳灰 （3）凝聚相电解生成法[35-36] 其采用石墨电 极(电解槽为阳极)，在约600℃的温度及氩气保护 的条件下，以一定的电压和电流电解熔融的卤化 碱盐，电解生成了形式多样的碳纳米材料。
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”。
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。
3）传热性能
碳纳米管具有良好的传热性能，CNTs具有非 常大的长径比，因而其沿着长度方向的热交换性 能很高，相对的其垂直方向的热交换性能较低， 通过合适的取向，碳纳米管可以合成高各向异性 的热传导材料。另外，碳纳米管有着较高的热导 率，只要在复合材料中掺杂微量的碳纳米管 ,该复 合材料的热导率将会可能得到很大的改善。 碳纳米管还具有光学和储氢等其他良好的性能,正 是这些优良的性质使得碳纳米管被认为是理想的 聚合物复合材料的增强材料。
碳纳米材料用途
碳纳米材料用途
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。
1.锂电池领域，在锂电池中该材料主要用于正负极中增加导电性使用，以降低电池内阻，从而减小电池内阻降低自放电等，一般加了碳管的电池低温性能会好一点，总而言之这是一款电池里面的味精，对电池性能提升有一定的作用，但无法起到决定性作用。
2.塑料领域，一般是将碳纳米管干粉通过双螺杆挤出等工艺与聚合物材料共混然后造粒，可以提高塑料产品的导电能力，在一些如静电屏蔽领域有较好的应用。
3.重防腐涂料，如船泊、集装箱等经常需要在海上工作的金属部件会受到海水的严重侵蚀，所以一般会在其表面涂覆重防腐涂料，传统的重防腐涂料会有大量的锌粉添加剂，出于降成本和改善涂料性能的目的，很多做涂料的公司正在开发将石墨烯，碳纳米管等新型碳材料添加到涂料中可在性能指标一致的情况下大幅度降低锌粉的用量，这一块的应用还是很不错的，个人认为比在电池中的作用大。
最轻最硬的材料
最轻最硬的材料碳纳米管（carbon nanotube，简称CNT）是一种由碳原子构成的纳米材料，具有极其轻巧和出色的机械性能，因此被誉为“最轻最硬的材料”。
碳纳米管的直径约为1到2纳米，长度可以达到数毫米甚至更长，其比表面积非常大，而且具有优异的导电性和导热性。
这些特性使得碳纳米管在诸多领域具有广泛的应用前景。
首先，碳纳米管在材料科学领域具有巨大的潜力。
由于其出色的机械性能，碳纳米管可以用于制备高强度、高韧性的复合材料，例如碳纳米管增强的聚合物复合材料，可以用于制造轻质、高强度的航空航天材料。
此外，碳纳米管还可以用于制备导电性能优越的复合材料，例如碳纳米管与聚合物复合材料可用于制造柔性电子产品，如可穿戴设备和柔性显示屏等。
其次，碳纳米管在电子器件领域也有着重要的应用价值。
由于碳纳米管具有优异的导电性能，可以作为微电子器件的材料。
研究人员已经成功地制备了碳纳米管场效应晶体管，并展示了其在逻辑电路和射频电路中的潜在应用。
此外，碳纳米管还可以作为场发射材料，用于制备纳米尺度的发射器件，如碳纳米管场发射显示器和碳纳米管场发射射频放大器等。
此外，碳纳米管还在能源领域具有重要意义。
由于碳纳米管具有优异的导电性和导热性，可以作为电池、超级电容器和热管理材料的关键组成部分。
研究人员已经利用碳纳米管制备了高性能的锂离子电池和超级电容器，并展示了其在储能和能量转换方面的潜在应用。
此外，碳纳米管还可以作为高效的热导材料，用于制备热界面材料和热导管，用于提高电子器件和光电器件的散热性能。
综上所述，碳纳米管作为“最轻最硬的材料”，具有广泛的应用前景。
在材料科学、电子器件和能源领域，碳纳米管都具有重要的应用价值，将为相关领域的发展带来新的机遇和挑战。
随着人们对碳纳米管的深入研究和应用，相信碳纳米管必将在未来发挥越来越重要的作用，为人类社会的发展做出更大的贡献。
碳纳米材料简介
神奇的碳材料、摘要：碳元素作为地球上丰富的元素之一，其性质多样，应用广泛。
对碳材料的研究有着深远的意义与价值。
近年来，碳材料的研究相当活跃，出现了多种多样的新型碳材料。
其中包括石墨烯、富勒烯等，这些新型的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。
关键词：石墨烯、富勒烯、碳纳米管、应用石墨烯【1】在2004年，英国的两位科学家安德烈·杰姆和克斯特亚·诺沃塞洛夫发现他们能用一种非常简单的方法得到越来越薄的石墨薄片。
他们从石墨中剥离出石墨片，然后将薄片的两面粘在一种特殊的胶带上，撕开胶带，就能把石墨片一分为二。
不断地这样操作，于是薄片越来越薄，最后，他们得到了仅由一层碳原子构成的薄片，这就是石墨烯。
而后制得是摩西的方法多种多样。
石墨烯是一种二维晶体，最大的特性是其中电子的运动速度达到了光速的1/300，远远超过了电子在一般导体中的运动速度。
这使得石墨烯中的电子，或更准确地，应称为“载荷子”(electric charge carrier)，的性质和相对论性的中微子非常相似。
人们常见的石墨是由一层层以蜂窝状有序排列的平面碳原子堆叠而形成的，石墨的层间作用力较弱，很容易互相剥离，形成薄薄的石墨片。
当把石墨片剥成单层之后，这种只有一个碳原子厚度的单层就是石墨石墨烯特性（1）比钻石还要坚硬科学家发现了一些只有100分之一头发丝宽度的石墨烯薄片后，他们就开始使用原子尺寸的金属和钻石探针对它们进行穿刺，从而测试它们的强度。
让科学家震惊的是，石墨烯比钻石还强硬，它的强度比世界上最好的钢铁还高100倍石墨烯是由碳原子按六边形晶格整齐排布而成的碳单质，结构非常稳定。
其完美的晶格结构，常被误认为很僵硬，但事实并非如此。
石墨烯各个碳原子间的连接非常柔韧，当施加外部机械力时，碳原子面就弯曲变形。
这样，碳原子就不需要重新排列来适应外力，这也就保证了石墨烯结构的稳定，使得石墨烯比金刚石还坚硬，同时可以像拉橡胶一样进行拉伸。
碳纳米管简介
碳纳米管简介
碳纳米管(CNTs)是一种新型的石墨材料，它是由石墨片层卷曲而成的圆柱形结构，其直径范围一般为一纳米至几百纳米。
这些管状纤维的长度变化范围也很大，一般为几微米到几千微米；因此碳纳米管的长径比（长度与直径的比值）范围为一千~十万。
这么大的长径比以及独特的结构使得碳纳米管与众多其他材料有很大差别。
碳纳米管有很多独特的性质，例如，其强度是不锈钢的16倍，热导率为铜的5倍。
由于碳纳米管自身为粉末状态，它可能是构筑新型复合材料的最合适的添加剂。
将碳纳米管加入到聚合物、陶瓷或金属基体中后，可以显著提高主体材料的物理性质（如导电性、导热性和其他物理性质），其效果远远优于炭黑、碳纤维或玻璃纤维等传统添加剂。
碳纳米管可以分为单壁、双壁和多壁碳纳米管，其主要差别在于碳纳米管结构中石墨片层的数目。
为方便参考，这里列出了一些碳纳米管的常见性能参数：
1. 电阻率：10 -4 Ω-cm
2. 电流密度：107 amps/cm2
3.热导率：3,000 W/mK
4. 抗拉强度：30 GPa
1。
3.典型的纳米材料(一)-纳米碳材料资料
二、单质碳的常见形式
• 1. 金刚石（Diamond） 最为坚固的一种碳结构，其中的碳原子以晶体 结构的形式排列，每一个碳原子与另外四个碳 原子紧密键合，最终形成了一种硬度大、活性 低的固体。 金刚石的熔点超过3500℃，相当于某些恒星表 面的温度 • 2. 石墨（Graphite） 石墨中碳原子以平面层状结构键合在一起，层与 层之间键合比较脆弱，因此层与层之间容易被 滑动而分开。 • 3. 富勒烯（Fullarene） • 又称为巴基球。富勒烯中的碳原子是以球状穹 顶的结构键合在一起。
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2018/10/15
一、碳的存在
1、煤炭
应用：干馏
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2018/10/15
一、碳的存在
1、煤炭
应用：气化
煤的气化过程是一个热化学过程，它是指在煤气发生 炉内，以煤或焦炭为原料，以氧气(空气、富氧获纯氧)、 水蒸气或氢气等作气化剂，在高温条件下通过化学反应将 煤或焦炭中的可燃部分转化为气体燃料的过程成分主要包括一氧化
碳、氢气及甲烷等。
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2018/10/15
一、碳的存在
1、煤炭
应用：气化
1、固定床气化技术：固定床气化也叫移动床气化炉，在气化过 程中，气化床层自上而下整体移动，固体气化原料之间相对固定；它 以块煤为原料，是目前世界上应用数量最多的加压煤气化工艺。 2、流化床气化技术：流化床气化也叫沸腾床气化，它的气化过 程是粉煤在反应器内呈流态化状态，在一定温度、压力条件下与气化 剂反应生成煤气。 3、气流床气化技术：气流床工艺是煤炭气化的一种重要形式， 原料煤以干粉或水煤浆形态入炉，煤粉(煤浆)和气化剂经喷嘴一起并 流进入气化炉，并在气化炉内进行充分的混合、燃烧和气化反应。气 流床气化技术的代表炉型是德士古气化炉和壳牌气化炉。 4、煤炭地下气化：煤炭地下气化是通过热化学反应把地下煤层 就地转化为可燃气体的过程。对保护环境和节省投资具有重要意义， 但在其煤气的质量和数量及其控制上还有待提高。
碳纳米材料
空间结构分类 球形富勒烯
管状富勒烯
洋葱状富勒烯
富勒烯的性质
生物活性
水溶性富勒烯衍生物在生物化学、生物医药和药物 学方面取得了巨大的成功，有些富勒烯衍生物可有望应 用于临床 分别从理论和实验上预测和证明了一些水溶性富勒 烯衍生物能够抑制人体免疫缺陷病毒酶。 人类的许多疾病是由于细菌而引起的，已有许多研 究表明富勒烯衍生物具有抗菌作用
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。
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。
石墨烯是构成下列碳同素异形体的基本单元：石墨，木 炭，碳纳米管和富勒烯。完美的石墨烯是二维的，它只 包括六边形(等角六边形); 如果有五边形和七边形存在， 则会构成石墨烯的缺陷。
碳纳米材料
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。
碳家族
类型介绍
富勒烯
富勒烯（Fullerene) 是一种 碳的同素异形体。任何由碳 一种元素组成，以球状，椭 圆状，或管状结构存在的物 质，都可以被叫做富勒烯。 富勒烯与石墨结构类似，但 石墨的结构中只有六元环， 而富勒烯中可能存在五元环。
纳米碳材料简介
2.3.4 应用与展望
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 60超导体
碳60的奇异性能举例 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。
2.4.8催化裂解无基体法 2.4.8催化裂解无基体法
采用该装置制备的碳纳米管，质量较好，管径一般能有效地控制在 20～30nm，长度达200m以上，多是直管且平行成束，很少看到催 化剂颗粒的存在，杂质很少。
2.4.9 浮动催化法制备多壁碳纳米管
浮动催化法是一种可以批量半连续制备碳纳米 管的方法，一般采用有机金属化合物为催化剂 原料，与碳氢化合物一同引入反应室，在一定 温度下分解出铁原子并聚集成一定大小的催化 剂颗粒。碳氢化合物在催化剂颗粒上吸附、分 解、扩散并析出碳纳米管。 反应室为陶瓷管，放置在立式电阻炉(额定温度 1200℃)中。反应溶液随载气(氢气)以蒸气的形 式引入反应室。
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 每个碳原子与周围3 每个碳原子与周围 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 碳原子形成2个单键和1个双键 为116，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 面心立方的分子晶体。 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 启发，提出了C60的分子结构。因此， 启发 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
结构化学中碳的纳米材料内容拓展
结构化学中碳的纳米材料内容拓展碳纳米材料是一类具有特殊结构和优异性能的纳米材料，由碳原子构成，具有极高的比表面积、优良的导电性、热稳定性和化学稳定性等特点。
目前，碳纳米材料已成为纳米科技领域的研究热点之一，被广泛应用于电子器件、储能材料、催化剂等领域。
本文将针对碳的纳米材料进行内容拓展，深入探讨碳纳米材料的结构、性质和应用等方面的内容。
碳纳米材料主要包括碳纳米管、石墨烯、碳纳米颗粒等。
碳纳米管是由单层或多层碳原子经过卷曲而成的纳米管状结构，具有优异的导电性、导热性和力学性能，被广泛应用于电子器件、纳米传感器等领域。
石墨烯是由单层碳原子组成的二维晶格结构，具有极高的强度和导电性，被认为是理想的电子器件材料。
而碳纳米颗粒则是由碳原子组成的纳米颗粒，具有较大的比表面积和丰富的表面官能团，被广泛应用于催化剂、吸附剂等领域。
从结构上来看，碳纳米材料具有多样的结构形式和形貌特征。
碳纳米管可以呈现单壁、多壁、卷曲和直管等形态，其直径和长度也具有一定的变化范围。
石墨烯具有六角形的晶格结构，可以形成不同形态的片状结构，具有较大的表面积。
碳纳米颗粒的形貌特征也十分丰富，可以呈现球状、棒状、片状等形态，且尺寸大小可调。
在性质方面，碳纳米材料具有许多独特的性质。
首先是优异的导电性和导热性，这主要是由于碳的sp2杂化轨道结构，使得碳纳米材料具有良好的电子传输性能和热传导性能。
其次是较高的力学强度和硬度，碳纳米材料具有很高的拉伸强度和模量，使得其在复合材料中得到广泛应用。
碳纳米材料还具有较高的比表面积和丰富的表面官能团，这使得其具有优异的吸附性能和化学反应活性。
在应用方面，碳纳米材料具有广泛的应用前景。
首先是在电子器件领域的应用，碳纳米管和石墨烯等材料被广泛应用于场发射器件、导电膜、柔性电子器件等领域，具有良好的应用前景。
其次是在储能材料领域的应用，碳纳米材料具有较高的比表面积和导电性，被广泛应用于超级电容器、锂离子电池等储能装置中。
碳纳米医用材料
Part one: 碳纳米管类医用材料-应用
Application four:促进神经再生, 减少神经组织瘢痕产生
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Part one: 石墨烯类医用材料-应用
Application one:基于氧化石墨烯的纳米载药体系
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第一章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度溶解性化学特性范德华直径毒性黑色固体 1.65g/cm3 4.5*103Ω·cm 800℃升华可溶于常见有机溶剂具有芳香性、多烯特性及优良的电化学特性1.1nm无毒碳纳米管碳纳米管（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）。
其直径从几百皮米到几十纳米,而长径比可以上万。
碳纳米管是前最重要的一维纳米材料之一。
虽然对碳纳米管发现的确切时间存在争议,但公认碳纳米管从1991年才引起了科学界的广泛兴趣。
1991年日本的Iijima在研究富勒烯的制备过程中由于电弧产物中发现了多壁碳纳米管,并利用透射电镜证实了它的存在。
随后在1993年,他又发现了单壁碳纳米管,与此同时,Bethune等也独立观察到了单壁碳纳米管。
单壁碳纳米管可看成是由一层石墨烯沿一定角度卷曲而成的管状结构（图1-1）。
根据卷曲角度的不同,可以形成具有不同手性和直径的碳纳米管,因此常用两个整数（n,m）表征单壁碳纳米管的结构。
当m=0时,该类单壁碳纳米管被称为锯齿形（zigzag）单壁碳纳米管；当n=m时,该类单壁碳纳米管被称为扶手椅形（armchair）单壁碳纳米管；其他的均被称为手性（chiral）碳纳米管。
单壁碳纳米管的直径可以通过两个指数算出来。
图1-1 单壁碳纳米管结构示意图由于其特殊的结构,碳纳米管具有许多优良的性质。
从电学性质来看,碳纳米管可分为金属型（metallic,带隙为零）和半导体型（semiconducting,带隙可达2eV）。
单壁碳纳米管的一些重要性质如表1-2。
表1-2 单壁碳纳米管的一些重要性质形态密度溶解性拉升强度杨氏模量迁移率热导率黑色固体0.8-2.0g/cm3常见溶剂中完全不溶100GPa 1TPa 100000cm2/(V·s) 3500W/(m·K)石墨烯石墨烯是碳的二维同素异形体,虽然它在理论上很早就被关注,也很早被制备出来,但真正的广泛研究却始于2004年。
曼彻斯特大学的Geim和Novoselov首次利用简单的胶带粘揭的方法（Scotch taping）获得了近乎完美和自由状态的石墨烯,并观察到了其前所未有的电学性质。
两人因此荣获2010年的诺贝尔物理学奖。
石墨烯是构成碳元素其他几种重要同素异形体的基本组件。
如图1-2所示,多层石墨烯的堆叠可构成三维的石墨,石墨烯卷曲成环可构成一维的碳纳米管,具有一定形状的石墨烯缠绕闭合可构成零维富勒烯。
因此,石墨烯这种最新发现的碳的同素异形体一直是众多早期理论研究的对象,而早期相关的实验工作大部分局限于石墨插层化合物和石墨氧化物。
从化学结构来看,碳的这几种同素异形体,富勒烯、碳纳米管和石墨烯,均由sp2杂化碳原子组成,是具有很大π电子共轭体系的芳香化合物。
然而在此之前,尚没有任何一种材料能够像石墨烯一样,同时具有惊人的迁移率、显著的室温霍尔效应、稳定的狄拉克电子结构、媲美ITO的透光性、超高的机械强度和热导率等众多诱人的性质。
图1-2 石墨烯是构成碳元素其他几种重要同素异形体的基本组件第二章石墨烯的发现、基本结构和性质石墨烯的发现和历史石墨烯是由一层碳原子构成的二维碳纳米材料。
根据严格意义上的二维原子晶体理论,热力学上严格和独立的二维原子晶体是不稳定的,但是准二维（quaitwo dimension）原子晶体材料,即具有褶皱的或附着在其他基底上的二维材料是可以存在的。
2004年Geim等获得的石墨烯就属于上述准二维原子晶体材料。
石墨烯(graphene)这个术语早在2004年之前就已被使用。
1986年,Boehm等首先给出了“graphene”的定义：“The term graphene layer should be used for such a single carbon layer”。
1997年,IUPAC明确定义“graphene”：“The term graphene should be used only when the reactions,structural relations or other properties of individual layers are discussed”。
目前,中文相应的定义还有待明确和标准化。
20世纪60—70年代,有关石墨烯的研究主要分3个方面：①理论研究；②关于石墨插层（graphite intercalation compound）和石墨氧化物(graphite oxide)在化学和材料方面的研究；③利用显微镜电镜等对碳薄膜材料的研究。
80—90年代由于富勒烯和碳纳米管的发现,人们开始对各种潜在的碳同素异形体进行大规模的探索。
这期间,人们获得了数纳米厚的（几十层）的石墨片（nanoflake）。
严格意义上的石墨烯,即单原子厚度的石墨烯的发现应归功于Geim团队在2004年利用极其简单的taping方法获得的成果。
他们不仅获得了近乎完美的石墨烯,更重要的是他们观察到了石墨烯这一系列前所未有的电学性质。
石墨烯优良性质的发现掀起了科学家继富勒烯和碳纳米管之后对碳同素异形体材料探索研究的第三次浪潮。
石墨烯的基本结构和性质石墨烯的原子排列与石墨的单原子层相同,是碳原子sp2杂化轨道按蜂巢晶格排列构成的单层二维晶体。
石墨烯可想象为由碳原子和其共价键所形成的原子尺寸网。
石墨烯的命名来自英文的graphite(石墨)+ene（烃类词尾）,因此,石墨烯被认为是平面多环芳香烃原子晶体。
石墨烯是由sp2碳原子以蜂巢晶格构成的二维单原子层结构。
每个碳原子周围有3个碳原子成键,C—C键长1.42Å,键角120°；每个碳原子以3个sp2杂化轨道和邻近的3个碳原子形成3个σ键,剩下的1个p轨道和邻近的其他碳原子一起形成共轭体系,每个碳原子贡献1个P电子。
因此,石墨烯的C—C骨架由σ键参与构成,在这个骨架的上下分布有成对的电子云,这种成键形式和苯环的成键模式完全一样,因此石墨烯也可看成是一个巨大的稠环芳烃,这一认识对理解石墨烯的特殊性质和材料性能十分重要。
值得注意的是,虽然石墨烯是其他碳的同素异形体的基本构成单元,但和富勒烯及碳纳米管的成键方式仍有重要不同。
在石墨烯以及石墨中,每个C—C键角都小于120°,C—C键存在一定的张力,因此富勒烯和碳纳米管中碳原子的化学活性要大于石墨烯中的碳原子。
石墨烯的特殊结构决定了其独特的性质。
从分子层面上考虑,石墨烯中碳原子的许多性质和苯环上的碳原子有类似之处,然而由于石墨烯由无数个六元环构成,并且其边缘氢原子对分子贡献远小于苯环,因此其许多性质又有所不同；从宏观层面看,石墨烯就是单层石墨,它的边缘性质和石墨有一定程度上的类似。
因此,石墨烯同时具有部分稠环芳烃和石墨的化学性质。
石墨烯碳骨架周围丰富的电子云导致其很容易进行π-π堆积,形成多层的石墨结构,石墨烯众多优良的物理性质是从这一特殊结构获得的。
表2-1总结了石墨烯的本征性质,下面将逐个简单介绍。
表2-1 石墨烯物理性质总结性质数值备注晶格矢量长度aC =√3aC—CaC—C≈1.42Å比表面积2600m2·g-1理论预测值迁移率15000cm2·V-1·s-1（通常）200000cm2·V-1·s-1（理论）室温测得平均自由程300—500nm 室温测得费米速率C/300=1000000m·s-1室温测得电子有效质量0.06m室温测得e室温测得空穴有效质量0.0me热导率(5.3±0.48)×103W·m-1·K-1比大部分晶体高断裂强度40N·m-1达到理论极限杨氏模量 1.0TPa 10倍于钢透光性97.7% 可见光石墨烯的电子性质和能带结构石墨烯最令人惊奇的是其非常特殊的电子（电学）性质。
和其他绝大多数二维材料不同,它是一个零带隙半导体,该性质取决于其特殊的能带结构。
理想石墨烯的能带结构是完全对称的锥形价带（valence band）和导带（conduction band）对称的的分布在费米能级（Fermi level）上下,导带和价带的交叉点即为狄拉克点（Dirac point）(图2-1)。
和普通金属或半导体不同,石墨烯中电子不遵循薛定谔方程,而是遵循狄拉克方程。
这是因为：①每一个C—C键都有一个成键轨道和反键轨道,且以C—C键为平面完全对称；②整个石墨烯分子结构中的每个π键相互共轭形成≈106m·s-1）移动,表现出零质量行为,从根本上说,石墨了巨大的共轭大π键,电子或空穴在如此巨大的共轭体系中可以以很高的电子费米速率（vF烯中许多电子行为类似于二维电子气,质量只有自由电子的1/10。
图2-1单层石墨烯的能带示意图电荷传输性质由于上述特性,石墨烯中的载流子（也称为狄拉克费米子）具有非同一般的传输性能。
载流子可以以近乎光速的速度移动,因此石墨烯具有很高的电荷迁移率。