碳纳米管与石墨烯优秀课件
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碳纳米管与石墨烯优秀课件
主要内容
1
简介
2
碳纳米管
3
石墨烯
4
总结
2020/11/24
2
1.ຫໍສະໝຸດ Baidu介
化学修饰
用吸附、涂敷、聚合、化 学反应等方法把活性基团 或催化物质等附着在电极 表面，保护电极或改进电 极特征功能的工艺过程。
2020/11/24
3
1.简介
碳纳米管（Carbon Nanotube）：
又称巴基管与石墨、金刚石一
• 石墨烯可以包裹形成零维富勒烯；它也可 以卷起来形成一维的碳纳米管；同样，它 也可以层层堆叠构成三维的石墨。
2020/11/24
24
• 石墨烯是由碳原子以sp2杂化连接的单原子层构成 的，其基本结构单元为有机材料中最稳定的苯六 元环，其理论厚度仅为0.35 nm，是目前所发现的
最薄的二维材料。
2020/11/24
2020/11/24
20
2020/11/24
石
墨？
烯
21
主要内容
1
简介
2
碳纳米管
3
石墨烯
4
总结
2020/11/24
22
石墨烯
• 1. 结构性质
• 2. 制备方法
• 3.修饰改性
• 4.应用举例
2020/11/24
23
• Carbon Nanotube是具有石墨结构并且按一 定规则卷曲形成的纳米级管状结构的孔状 材料。
主要内容
1
简介
2
碳纳米管
3
石墨烯
4
总结
2020/11/24
6
碳纳米管
l 优点：性能及应用 l 碳纳米管制备 l 缺点：化学修饰 l 碳纳米管的进展
2020/11/24
7
性能
2020/11/24
8
应用
2020/11/24
9
制备方法
多壁CNTs
单壁CNTs
电弧法
2020/11/24
聂海瑜。碳纳米管的制备[J]，塑料工业。2004，32（10）：11。
2020/11/24
14
化学修饰
改善多壁碳纳米管（WMCNTs）在水体系中的分散性， 以阿拉伯胶（GA）为分散剂（SAA），采用SAA超 声处理法对WMCNTs进行修饰。
通过GA分子长链的包覆改善WMCNTs的亲水性和 分 散 性 ， 进 而 表 现 出 对 W M C N Ts 具 有 较 好 的 分 散 稳
样,也是碳的同素异构体。
无缝中空管状的碳分子，管上
每个碳原子采取sp2杂化，相互之间
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。径向为纳米级，轴向为微米 级。
旋转的碳纳米管分子示意图： 小圆球代表碳原子，它们之间 的长条形连接物代表化学键。
2020/11/24 http://zh.wikipedia.org/wiki/%E7%A2%B3%E7%BA%B3%E7%B1%B3%E7%AE%A1
4
1.简介
长度： 0.1～50μm 直径： 2～30nm 层数： 2～50 层间距： 0.34±0.01nm
无论多壁管还是单壁管都具有很高的长径比， 一般为100～1000，最高可达1000～10000， 完全可以认为是一维分子。
长度： 1～50μm 直径： 0.75～
3nm
2020/11/24
5
25
• 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 ) ”。
2020/11/24
19
进展
检测血糖浓度的生物传感器，在玻碳电极表 面形成碳纳米管/壳聚糖膜/空壳纳米钯均匀致密 稳定的修饰层,制备了用于测定葡萄糖的新型无酶 传感器。该传感器可以快速地实现电极与葡萄糖 之间的直接电子转移，有良好的稳定性。
沈健,黄杉生.空壳纳米钯-碳纳米管修饰的无酶葡萄糖传感器的研究[J].2012，32: 21-25
2020/11/24
非共价键修饰利用 有效的溶剂化作用和 表面活性剂或天然生 物大分子化合物包裹 在碳纳米管外壁以增 加其溶解性。
13
化学修饰
＊非共价修饰
表面活性剂GA由亲水性的极性基团和憎 水性的非极性基团所构成。是一种高分子长链， 混合物在两相界面间具有良好的吸附能力，且 黏度较低，分子能定向地排列于任意两相之间 的界面层中，使界面的不饱和力场得到某种程 度的补偿，从而使界面张力降低。
张梓军等.超支化聚合物修饰碳纳米管的研究进展[J].材料导报.2012，26：144-148
2020/11/24
18
化学修饰
共价键修饰改性碳纳米管
利用氧化剂（强酸）等对碳纳米管进行化学 切割，可使CNTs开口并在其表面接枝上一定数 量的活性基团（羧基、羟基）等，再通过活性基 团与超支化大分子反应，从而实现的超支化共价 修饰。
定性。
2020/11/24
王保民等。碳纳米管的表面修饰及分散机理研究[J].
15
中国矿业大学学报.2012，41：758-763
化学修饰
⒈ WMCNTs的表面与GA长链的吸附作用， GA长链平 躺在WMCNTs表面，形成空间位阻层，分散性不好。
⒉ 随着GA质量浓度的逐渐增加，其大量 分子自动聚集于WMCNTs表面， 形成胶束，亲水性最佳。
10
化学修饰
2020/11/24
化学修饰
11
化学修饰
• A：氧化开管后修饰 • B：侧壁共价修饰 • C：侧壁非共价修饰 • D：包埋功能化 • E：内腔功能化
2020/11/24
Angew. Chem. Int. Ed., 2002, 41, 1853.
12
化学修饰
共价键修饰是在碳 米管表面上共价地连 接一些适宜的基团， 使CNTs表面和聚合物 之间产生化学键连接, 以改善其溶解度。
⒊ 浓度继续增加，胶束之间的 渗透压导致WMCNTs重新团聚。
2020/11/24
16
化学修饰
＊共价修饰
超支化聚合物具有三维球形的高度支化的分子结构，分 子间不会发生交联。具有低粘度、高流变性、良好的溶解性， 为提高CNTs的分散性提供了有利条件。
2020/11/24
17
化学修饰
超支化聚合物修饰的CNTs具有核壳结构,分子的壳 层高度支化,末端聚集大量的活性官能团，粘度低、溶解 性能好，分子之间无缠结，因此表现出许多线形聚合物 修饰的所不具有的特殊性能，如良好的溶解性，低溶液 粘度，高反应活性，并且可以通过封端反应加以改性。
主要内容
1
简介
2
碳纳米管
3
石墨烯
4
总结
2020/11/24
2
1.ຫໍສະໝຸດ Baidu介
化学修饰
用吸附、涂敷、聚合、化 学反应等方法把活性基团 或催化物质等附着在电极 表面，保护电极或改进电 极特征功能的工艺过程。
2020/11/24
3
1.简介
碳纳米管（Carbon Nanotube）：
又称巴基管与石墨、金刚石一
• 石墨烯可以包裹形成零维富勒烯；它也可 以卷起来形成一维的碳纳米管；同样，它 也可以层层堆叠构成三维的石墨。
2020/11/24
24
• 石墨烯是由碳原子以sp2杂化连接的单原子层构成 的，其基本结构单元为有机材料中最稳定的苯六 元环，其理论厚度仅为0.35 nm，是目前所发现的
最薄的二维材料。
2020/11/24
2020/11/24
20
2020/11/24
石
墨？
烯
21
主要内容
1
简介
2
碳纳米管
3
石墨烯
4
总结
2020/11/24
22
石墨烯
• 1. 结构性质
• 2. 制备方法
• 3.修饰改性
• 4.应用举例
2020/11/24
23
• Carbon Nanotube是具有石墨结构并且按一 定规则卷曲形成的纳米级管状结构的孔状 材料。
主要内容
1
简介
2
碳纳米管
3
石墨烯
4
总结
2020/11/24
6
碳纳米管
l 优点：性能及应用 l 碳纳米管制备 l 缺点：化学修饰 l 碳纳米管的进展
2020/11/24
7
性能
2020/11/24
8
应用
2020/11/24
9
制备方法
多壁CNTs
单壁CNTs
电弧法
2020/11/24
聂海瑜。碳纳米管的制备[J]，塑料工业。2004，32（10）：11。
2020/11/24
14
化学修饰
改善多壁碳纳米管（WMCNTs）在水体系中的分散性， 以阿拉伯胶（GA）为分散剂（SAA），采用SAA超 声处理法对WMCNTs进行修饰。
通过GA分子长链的包覆改善WMCNTs的亲水性和 分 散 性 ， 进 而 表 现 出 对 W M C N Ts 具 有 较 好 的 分 散 稳
样,也是碳的同素异构体。
无缝中空管状的碳分子，管上
每个碳原子采取sp2杂化，相互之间
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。径向为纳米级，轴向为微米 级。
旋转的碳纳米管分子示意图： 小圆球代表碳原子，它们之间 的长条形连接物代表化学键。
2020/11/24 http://zh.wikipedia.org/wiki/%E7%A2%B3%E7%BA%B3%E7%B1%B3%E7%AE%A1
4
1.简介
长度： 0.1～50μm 直径： 2～30nm 层数： 2～50 层间距： 0.34±0.01nm
无论多壁管还是单壁管都具有很高的长径比， 一般为100～1000，最高可达1000～10000， 完全可以认为是一维分子。
长度： 1～50μm 直径： 0.75～
3nm
2020/11/24
5
25
• 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 ) ”。
2020/11/24
19
进展
检测血糖浓度的生物传感器，在玻碳电极表 面形成碳纳米管/壳聚糖膜/空壳纳米钯均匀致密 稳定的修饰层,制备了用于测定葡萄糖的新型无酶 传感器。该传感器可以快速地实现电极与葡萄糖 之间的直接电子转移，有良好的稳定性。
沈健,黄杉生.空壳纳米钯-碳纳米管修饰的无酶葡萄糖传感器的研究[J].2012，32: 21-25
2020/11/24
非共价键修饰利用 有效的溶剂化作用和 表面活性剂或天然生 物大分子化合物包裹 在碳纳米管外壁以增 加其溶解性。
13
化学修饰
＊非共价修饰
表面活性剂GA由亲水性的极性基团和憎 水性的非极性基团所构成。是一种高分子长链， 混合物在两相界面间具有良好的吸附能力，且 黏度较低，分子能定向地排列于任意两相之间 的界面层中，使界面的不饱和力场得到某种程 度的补偿，从而使界面张力降低。
张梓军等.超支化聚合物修饰碳纳米管的研究进展[J].材料导报.2012，26：144-148
2020/11/24
18
化学修饰
共价键修饰改性碳纳米管
利用氧化剂（强酸）等对碳纳米管进行化学 切割，可使CNTs开口并在其表面接枝上一定数 量的活性基团（羧基、羟基）等，再通过活性基 团与超支化大分子反应，从而实现的超支化共价 修饰。
定性。
2020/11/24
王保民等。碳纳米管的表面修饰及分散机理研究[J].
15
中国矿业大学学报.2012，41：758-763
化学修饰
⒈ WMCNTs的表面与GA长链的吸附作用， GA长链平 躺在WMCNTs表面，形成空间位阻层，分散性不好。
⒉ 随着GA质量浓度的逐渐增加，其大量 分子自动聚集于WMCNTs表面， 形成胶束，亲水性最佳。
10
化学修饰
2020/11/24
化学修饰
11
化学修饰
• A：氧化开管后修饰 • B：侧壁共价修饰 • C：侧壁非共价修饰 • D：包埋功能化 • E：内腔功能化
2020/11/24
Angew. Chem. Int. Ed., 2002, 41, 1853.
12
化学修饰
共价键修饰是在碳 米管表面上共价地连 接一些适宜的基团， 使CNTs表面和聚合物 之间产生化学键连接, 以改善其溶解度。
⒊ 浓度继续增加，胶束之间的 渗透压导致WMCNTs重新团聚。
2020/11/24
16
化学修饰
＊共价修饰
超支化聚合物具有三维球形的高度支化的分子结构，分 子间不会发生交联。具有低粘度、高流变性、良好的溶解性， 为提高CNTs的分散性提供了有利条件。
2020/11/24
17
化学修饰
超支化聚合物修饰的CNTs具有核壳结构,分子的壳 层高度支化,末端聚集大量的活性官能团，粘度低、溶解 性能好，分子之间无缠结，因此表现出许多线形聚合物 修饰的所不具有的特殊性能，如良好的溶解性，低溶液 粘度，高反应活性，并且可以通过封端反应加以改性。