富勒烯材料课件
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富勒烯材料简介
光电成像 富勒烯太阳能电池 非线性光学薄膜 光学器件 电致发光电池 光限制器 光 学 应 用 生物医学应用 富勒烯涂层 及细胞培养 药物载体 诊断或治疗试剂 生物活性材料
新型富勒烯发光材料
润滑剂 化妆品 电荷转移复合物 表面涂层 催化剂
化学应用
富勒烯及其衍生物 的应用 电 学 应 用
碳薄膜 电泳显示 隧道二极管 光聚合物 导电物质 双层电容器和储存物质
发展与展望
1.富勒烯的研究已经渗透到化学、物理、生命、科学、 材料科学等众多学科领域，富勒烯的衍生化研究相对 较熟； 2.从发展趋势看，当前富勒烯的研究主要集中在:新型 富勒烯的制备及其机理研究，功能富勒烯衍生物的制 备、性能及应用研究，新的富勒烯反应及机理研究等 方面； 3.由于C60 表面含有30 个双键，其环加成反应中会生 成多加成产物，对它们的分离纯化以及选择性合成等 也是以后需要解决的问题；
C60富勒烯是一种很强的抗氧化物质， 其抗氧化力是维生素C的125倍，除了抗 氧化外，C60富勒烯还具有清除自由基、 活化皮肤细胞（预防衰亡）等作用。
4.如果在生物环境即水溶液环境中的溶解度得到根 本解决，富勒烯衍生物在生物、药物领域的应用将 更为广阔。 5.富勒烯由于其独特的结构和化学物理性质，已对 化学、物理、材料科学产生了深远的影响，在应用 方面显示了诱人的前景。随着研究的不断深入，碳 原子簇将要给人类带来巨大的财富。
富勒烯在化妆碳纳米管（C90)：直径0.7nm，长度为1.1纳米，呈D5h高度对称性。 （浙大与美 国加州大学合作）
C70：（除C60以外最稳定的富勒烯），它的12个五元环全部分散在碳笼的 两级位置，而赤道部位则全部由六元环所组成，其结构与碳纳米管十 分相似。 石墨烯：从石墨中一层一层剥离出来的单层的石墨（类似一个碳原子的薄片） 它是以Sp2轨道杂化的碳原子形成的单层原子蜂窝状六角平面晶体， 六边形的每个点上都是相同的碳原子。其厚度为0.335nm，只有一 根头发丝直径的万分之一，是目前世界上存在的最薄的材料。 石墨烷：氧化石墨烯
新型富勒烯发光材料
润滑剂 化妆品 电荷转移复合物 表面涂层 催化剂
化学应用
富勒烯及其衍生物 的应用 电 学 应 用
碳薄膜 电泳显示 隧道二极管 光聚合物 导电物质 双层电容器和储存物质
发展与展望
1.富勒烯的研究已经渗透到化学、物理、生命、科学、 材料科学等众多学科领域，富勒烯的衍生化研究相对 较熟； 2.从发展趋势看，当前富勒烯的研究主要集中在:新型 富勒烯的制备及其机理研究，功能富勒烯衍生物的制 备、性能及应用研究，新的富勒烯反应及机理研究等 方面； 3.由于C60 表面含有30 个双键，其环加成反应中会生 成多加成产物，对它们的分离纯化以及选择性合成等 也是以后需要解决的问题；
C60富勒烯是一种很强的抗氧化物质， 其抗氧化力是维生素C的125倍，除了抗 氧化外，C60富勒烯还具有清除自由基、 活化皮肤细胞（预防衰亡）等作用。
4.如果在生物环境即水溶液环境中的溶解度得到根 本解决，富勒烯衍生物在生物、药物领域的应用将 更为广阔。 5.富勒烯由于其独特的结构和化学物理性质，已对 化学、物理、材料科学产生了深远的影响，在应用 方面显示了诱人的前景。随着研究的不断深入，碳 原子簇将要给人类带来巨大的财富。
富勒烯在化妆碳纳米管（C90)：直径0.7nm，长度为1.1纳米，呈D5h高度对称性。 （浙大与美 国加州大学合作）
C70：（除C60以外最稳定的富勒烯），它的12个五元环全部分散在碳笼的 两级位置，而赤道部位则全部由六元环所组成，其结构与碳纳米管十 分相似。 石墨烯：从石墨中一层一层剥离出来的单层的石墨（类似一个碳原子的薄片） 它是以Sp2轨道杂化的碳原子形成的单层原子蜂窝状六角平面晶体， 六边形的每个点上都是相同的碳原子。其厚度为0.335nm，只有一 根头发丝直径的万分之一，是目前世界上存在的最薄的材料。 石墨烷：氧化石墨烯
富勒烯
2)超导性 经过适当的金属搀杂后的C60表现出良好的 导电性和超导性。1991年3月美国贝耳实 验室首先报道搀钾后的K3C60具有超导 性，其临界温度为18K。
* 现已发现M3C60系列化合物（M=K、 Rb、Cs）均具有超导性。 * 另据贝耳实验室最新报道，C60有机超导 体的临界温度已提高到117K。
6、富勒烯的性质 1）一般性质 C60为淡黄色固体，薄膜加厚时转成棕色， 在有机溶剂中呈洋红色。C70为红棕色固 体，厚膜时为灰黑色，溶剂中为红葡萄酒 色。C60密度1.65g/cm3，能在不裂解情况下 升华。 室温下C60的体积可压缩率为： -d(lnv)/dp=7.0x10-12cm2/dyne 最软固体 C60 13C-NMR 143.2ppm出现单峰
C36
C60
C70
C180
2、C60分子的发现及其结构的提出 很早天体物理学家就发现富碳恒星的大气层及慧星 尾中有碳原子簇存在； 1942年，O. Hahn等用MS证实了原子簇Cn（<15）的 存在； 1984年，Exxon Research & Engineering Co.的E. A. Rohlfing等用激光气化/氦气脉冲膨胀法从石墨 产生碳原子簇。 1《n《30，奇数和偶数的碳原子簇均能形成； n》40时，仅偶数n的Cn原子簇能形成，并且C60 的质谱峰明显高于其它原子簇峰； 1985年，Kroto提出球碳假设，在Nature发表 《C60: Buckminsterfullerene》（1985, 318:162）
不同萃取剂的萃取效果 萃取剂系列 1 萃取次序 产物 苯 1 C60:C70=3:1 和少量质量数 1200 的富勒烯 吡啶 2 C60:C70=2:1 和少量 C100 以下的 富勒烯 1，2，3，5-四甲基苯 3 主要是<C200 的富勒烯，C60 和 C70 含量<1% 萃取剂系列 2 萃取次序 乙烷 1 主要是 C60 和 C70，少量 C76 和 C78 庚烷 2 C60:C70:C78:C84=2:1.4:0.5:1 收率 26% 4% 14%
科普讲座富勒烯C60
Shanghai Jiao Tong University
课前提问
世界上最薄的材料？ 自然界最硬的材料？ 元素周期表中大约有多少种元素，能否背诵前18个元素？ 碳原子周围有几层电子，外层有几个电子？ 列举你所知道的碳的化合物，画出它们的分子结构。
Shanghai Jiao Tong University
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C60结构详解
H I G F L E K E
I
H
G
!
H
J
A K B C D
F
J
C B D
上五角星（11个顶点， 10个面）
H
下五角星（11个顶点， 10个面）
二十面体（12个顶点， 20个面）
截一个角，一个顶点变成 一个五边形（五个顶点）， 原来的面则变成六边形
试着一起 玩单脚站 立的小游 戏
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材料显微结构研究方法
•光学显微镜 •电子显微镜 •透射电子显微镜 •扫描电子显微镜 •扫描探针显微镜
h mv
德布罗意公式
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材料显微结构研究方法
•光学显微镜 •电子显微镜 •透射电子显微镜 •扫描电子显微镜 •扫描隧道显微镜
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实验发现C60结构的历史背景
在第二次世界大战（20世纪40年代）期间，石墨被用作核裂 变反应实验的中子减速器。当时德国和美国都发现碳在3000 －4000K的气相环境中能形成团簇。 这些碳的团簇结构，C10以下以链状为主，C10以上（C20以 下）为环状为主。（一般的金属元素，较低温度下能形成紧密 堆积的团簇，而在1000K以上气相中，基本上以单原子形式存 在。这一对比可以说明碳有非常优异的成键能力，也和“碳是 世界上形成化合物最丰富的一个元素”这一事实相关联）。 20世纪80年代初，Rice 大学发展了激光蒸发超声团簇分子束 技术，并和多种先进的检测手段（如飞行时间质谱，激光光电 离，紫外光电子能谱，离子回旋共振谱等）相结合，可用来研 究几乎任意元素的团簇结构。这些先进的研究手段为他们发现 新现象提供了很多机会。 当时Smalley主要还在研究半导体及金属元素，因为和Kroto的 合作才开始研究碳。
富勒烯初稿07版 0301
以脱油沥青为碳源制备纳米洋葱状富勒烯的研究文献综述引言20世纪是人类科学技术发展最迅猛的100年，碳科学也不例外。
金刚石、石墨与无定形碳是为人们所熟悉的三种以单质存在的碳的同素异形体。
元素周期表中的6号元素“碳”是一个奇特的元素。
其中石墨为平面六角层状结构，层中每个碳原子以sp2杂化轨道与三个相邻的碳原子形成三个相同的σ键，而各个碳原子垂直于该平面的P z轨道相叠形成离域π键，因此石墨表现出明显的各向异性。
金刚石的每个碳原子以sp3杂化轨道与相邻的四个碳原子成键，呈四面体结构。
由于C-C键贯穿于整个晶体结构，使得金刚石表现出极高的硬度和熔点。
无定形碳是由石墨层状结构的碎片相互大致平行堆积的，间或有碳按四面体成键方式相互键联而成的无序结构，其存在形式有焦炭、木炭、炭黑和玻璃炭等。
【44】但仅由单质碳构成的物质远非如此，1985年在碳元素家族增加了C60等富勒烯族，1991年又发现了纳米碳管等。
这种与通常意义上的碳同素异形体(金刚石和石墨)结构完全不同的新奇的高稳定结构，对科学界，乃至整个社会产生了重大的影响。
所有的碳质材料均具有生物相容性，不会对包括人在内的所有生物体造成伤害，其制品在废旧破损之后可转变为CO2，参与地表的正常循环，不产生任何有毒残留物。
因此，碳质材料是一种可循环耐用且对环境友好的材料，也是易于加工且在加工成制品时所需能耗低的材料。
同素异性体中的纳米碳管则有可能进一步将碳元素的独特性能发挥到极至。
像所有的自然界规律一样，有关碳的研究和认识远没有完结，随着科技的飞速发展和科学家们的不懈努力，新型的具有特殊功能的碳纳米材料不断问世，这又反过来促进了我们对这种新型碳单质的深入研究。
1.1纳米状洋葱富勒烯的发现1980年日本NEC公司的电镜专家Iijima教授用高分辨透射电子显微镜(HRTEM )研究电弧放电法（真空、无保护气氛）制备碳膜时，观察到间距约0.34nm的同心圆环，且其最内层直径约为0.71 nm，这就是通过片层石墨的弯曲、闭合产生的纳米洋葱状富勒烯（nano onion-like fullerenes:NOLFs ），但当时此项工作未受到重视。
富勒烯的发现课件
储能电池
富勒烯可以作为储能电池 的电极材料，具有高能量 密度和长循环寿命。
富勒烯在生物医学领域的应用
生物成像
富勒烯具有荧光性能，可 以用于生物成像技术，如 荧光探针、荧光显微镜等 。
药物输送
富勒烯可以与药物结合， 形成纳米药物载体，用于 药物的定向输送和治疗。
生物传感器
富勒烯可以作为生物传感 器材料，用于检测生物分 子和细胞活性。
1970年代，科学家开始探索在 实验室条件下合成富勒烯的方 法。
富勒烯的合成与确认
1985年，英国科学家克罗托、斯莫利和柯尔在惰性气体氛围中，通过激光蒸发石 墨的方法首次合成了具有封闭笼状结构的碳60分子。
通过X射线晶体学分析，科学家证实了碳60分子的存在，并发现其具有球形对称 的三维结构。
富勒烯的命名与分类
富勒烯的性能优化与应用拓展
总结词
富勒烯具有许多优异的性能，如高导电性、高导热性、高化学稳定性等。通过性能优化，可以进一步 拓宽富勒烯的应用领域。
详细描述
目前富勒烯已经在电子、能源、医学等领域展现出巨大的应用潜力。未来可以通过分子设计、掺杂、 复合等手段进一步优化富勒烯的性能，如提高导电率、优化热稳定性等。这将有助于开发出更多基于 富勒烯的新型材料和器件。
富勒烯的发现
目录
CONTENTS
• 富勒烯的发现历史 • 富勒烯的结构与性质 • 富勒烯的应用领域 • 富勒烯的未来发展前景
01 富勒烯的发现历史
富勒烯的早期研究
1866年，德国化学家开姆尼提 出了一种碳的同素异形体—— 卡拜（一种由单层碳原子构成 的环状结构）。
1913年，德国化学家科尔贝提 出，在高温高压下，碳可以形 成球形或椭球形聚合结构。
富勒烯
高分子合成新技术
3.2脉冲激光法诱导液-固界面法
福建师范大学章文贡教授研究团队 采用脉冲激光诱导液-固界面反应法，以 芳香烃B为流动相，石墨为固体靶，成功 获得了多种富勒烯，其中含富勒烯C98的 量最多。
高分子合成新技术
反应装置示意图
调节流动相以适 宜的流速流经固 体靶，淹没过靶 片的液层高度始 终为1~2mm，准 备时间依需要量 而定
1.富勒烯的溶解性质 2.富勒烯的超导性质 3.富勒烯的光学性质
高分子合成新技术
2.1.1.溶解性
富勒烯在脂肪烃中的溶解性随溶剂 分子的碳原子数增大而增大，但一般溶 解性较小。在苯和甲苯中有良好的溶解 性，而在二硫化碳（CS2）中的溶解度很 大。但是由于CS2的毒性较大，因此一般 不使用。目前用于溶解C60最常用的溶剂 为甲苯
高分子合成新技术
第6章 富勒烯及其高分子化 章
高分子合成新技术
目录
概述 富勒烯的性质 富勒烯的制备 富勒烯的高分子化 富勒烯高分子衍生物的应用 回顾与展望
高分子合成新技术
1. 概述
20世纪80年代中期，继石墨、金刚 石之后，人们发现了碳元素存在的第三 种晶体形式，其分子式为Cn ，目前已知 的n值最大为540。这类碳化合物被称为 碳笼原子簇或富勒烯（又称巴基球、球 烯、足球碳等）。
液体作用剖析
流动相液体的作用
液体气化产生 液体粒子 有助于亚稳态物质 的成核和稳定
液体的束缚作用 使各粒子之间更加 容易碰撞重新成核
液体冷却作用有助于 快速活性淬灭成核” “快速活性淬灭成核”
高分子合成新技术
4.富勒烯的高分子化
C60 球 体 的 高 分 子 化 衍 生 物
1.高分子链上悬挂C60（On-chain型）； 2.C60结合进高分子链中（ In-chain型）； 3.以C60为节点形成高分子网络； 4.C60通过化学键连接在基质材料表面。
富勒烯材料
碳富勒烯的性质
• 物理性质 包括一般性质、溶解性、波谱性质、磁性、光学性质、力学 性质、摩擦特性、电极化特性、电子运输和导电特性等。
• 化学性质 包括C60和金属的反应、自由基反应、亲核与亲电加成反应、 富勒烯配位化学、氧化还原反应、热氧化稳定性等。
2015年，牛津一家创业公司以每克 10.8亿元人民币的价格卖出内嵌富勒 烯，成为全世界第二贵物质，仅次于 暗物质
界面上，让CS2挥发形成LB膜。 2、化学沉积法
把C60自组装到基体表面有两种途径：一是先将具有特殊功能的基团修饰 后再在基团表面自组装；二是先将基体表面用具有特殊功能的基团修饰后， 再在溶液中于C60发生反应，从而形成C60衍生膜。
碳富勒烯及其衍生物的应用
1、在我们日常生活中的 例如在化妆品中会出现，因为它有抗自由基、 抗氧化、淡斑美白、抑制发炎四大作用。C60是一种很强的抗氧化物质，其抗 氧化能力是维生素C的125倍，除了抗氧化之外，它还有清除自由基、活化皮 肤细胞等作用。
C60 具体到C60来说，它由20个六角形和12个五角形构成，
每个五边形由5个六角形包围，五角形上的碳原子构成了C60富勒 烯上突起的顶点，形成完整的碳富勒烯，五边形的边长为
0.146nm，六边形的边长为0.14nm。富勒烯分子中的相邻碳
原子之间以近似的sp2 杂化共价键的方式连接，整个分子中的碳
• 除了这些，还有X射线衍射技术、拉曼光谱技术、核磁共振技术、红外光 谱技术、紫外-可见吸收光谱技术。
碳富勒烯的结构
1、富勒烯Cn结构的欧拉定律 实验表明，原子集团中的原子数目不是随意的，，只有包含一定数目原子
的团簇保持稳定，这一定数目的原子称为“幻数”。当团簇中的原子数目等于幻 数是较为稳定。经过一系列的实验研究和各个科学家的验证得出富勒烯Cn结构 的表达式
第三讲_富勒烯1
第三讲_富勒烯1第三讲富勒烯5⽬录富勒烯概述富勒烯的结构与表征富勒烯的制备、⽣长机理与纯化富勒烯的性质富勒烯化学富勒烯的应⽤6碳的同素异形体⽯墨78富勒烯(Fullerenes)：笼状炭原⼦簇的总称什么是富勒烯9富勒烯的发展历程1983年，物理学家D.R. Huffman 和W. Kratschmer 在氦⽓中使⽯墨电极间放电制备了碳原⼦簇，碳烟的紫外光谱和拉曼光谱显⽰，在近紫外区出现了强烈的吸收带，产⽣了形似驼峰的双峰，他们称这种样品为“骆驼样品”。
1969年David Jones 在New Scientist 上发表论⽂指出在⽯墨⽣产⾼温过程中有可能形成⽯墨空⼼球；1970年⽇本量⼦化学家Osawa 曾经计算过对称性的C 60的笼型结构，并计算出该笼形结构具有芳⾹性，但没有深⼊下去。
富勒烯之前认识的碳：⾦刚⽯和⽯墨1985年，Robert F. Curl，Harold W. Kroto，Richard E.Smalley共同发现了C60和C70，并获得1996年的诺贝尔化学奖。
1984年，E. A. Rotalfing为了解释星际尘埃的组成，采⽤⼤功率短脉冲激光器蒸发⽯墨，在飞⾏时间质谱仪上观察到C60和C70的特征峰，但他们只是简单的将其归结为碳原⼦团簇的线性链结构。
与诺贝尔奖失之交臂。
1984年，R. E. Smalley (Rice U)发明激光⽓化团簇束流发⽣器。
101984年，Kroto经Curl介绍认识了Smalley，参观了Smalley研制的⽤于研究半导体和⾦属原⼦簇的激光⽓化团簇束流发⽣器，观看了在He⽓氛中激光蒸发SiC2的实验。
并建议使⽤这台仪器模拟星际空间由巨碳星产⽣的浓密富碳风中长链碳分⼦的形成机制。
1985年9⽉，Kroto利⽤该仪器与Smalley合作，⽤⽯墨代替SiC2进⾏激光蒸发实验，他们从质谱图中发现相对原⼦量为720和840的⾼丰度分⼦离⼦峰（对应C60和C70)；Curl提议⽴即停⽌所有其它实验，集中精⼒研究这⼀意外发现。
富勒烯4_2
目录•富勒烯概述•富勒烯的结构与表征•富勒烯的制备、生长机理与纯化•富勒烯的性质•富勒烯化学•富勒烯的应用前景3富勒烯的应用前景•电子学领域•生物医药领域•超导领域•大气与水处理领域•高能材料与太阳能电池领域•催化剂领域•激光科学领域•润滑领域451、分子电子学领域分子电子学：目标是用单个分子、超分子或分子簇代替硅基半导体晶体管等固体电子学元件组装逻辑电路，乃至组装完整的分子计算机。
集成电路的发展微纳电子学分子电子学两个方向集成电路的例子：CPU 芯片、主板芯片、显卡芯片…微纳电子学，集成电路的生产（Integrated Circuit）生产过程：6完成集成电路制作的晶元7生产流程图：89First IC Device1958, Texas Instrument, Jack Kilby第一块单片集成电路1959, Noyce 在Ge 衬底用键合的方法制备了12个器件获得2000年Nobel 物理学奖在Si 衬底制备了真正的集成电路--摩尔定律：集成电路的集成度每三年增长四倍，特征尺寸每三年缩小√2 倍摩尔定律还能实现多久？10决定集成电路集成度—线宽奔腾III、奔腾IV的、酷睿2核芯片的线宽：130nm、65nm、45nm预计现行的微电子加工工艺10年后将接近发展极限两个问题：a、线宽缩小到一定程度将使固体电子器件不再遵从传统运行规律。
b、线宽缩小使成本大大增加。
11分子电子学的优势：a、自下而上（Bottom-Up）组装，元件通过化学反应大量合成，生产成本可望得到降低。
b、集成度高，可提高运算速度酷睿2核：核心面积107mm2，集成晶体管数4.1亿1cm2集成电子元件数的量级：109分子电子学：1014分子电子学的发展水平：处于基础阶段。
12A、C及其衍生物用在分子导线上60分子导线: (1)导电；(2)有确定的长度；(3)含有能够连接到系统单元的连接点；(4)允许在其端点进行氧化还原反应；(5)与周围绝缘以阻止电子的任意传输。
富勒烯材料ppt课件
4.富勒烯的种类
• 巴基球团簇：最小的是C20 （二十烷的 不饱和衍生物）和最常见的C60；
• 碳纳米管：非常小的中空管，有单壁和 多壁之分;在电子工业有潜在的应用；
• 巨碳管：比纳米管大，管壁可制备成不 同厚度，在运送大小不同的分子方面有 潜在价值；
• 聚合物：在高温高压下形成的 链状、二 维或三维聚合物。
5.富勒烯的结构和性质
• 富勒烯晶体（如C60固体）由于是由一个个分子堆砌形 成的，分子本身的化学键已达到饱和和封闭，不需要 其他原子来满足其表面化学键的要求.因此从这种意义 上说，富勒烯是今天已知有限大小的唯一稳定形式的 纯碳.
• 超导性： 经过适当的金属搀杂后的C60表现出良好的导电
1.富勒烯的命名
1985年， Kroto等采用质谱仪研究激光蒸发 石墨电
极粉末，发现在不同数量碳原子形成的碳 簇结构中
包含六十个和七十个碳原子的团簇具有更 高的稳定
性，于是提出由六十个碳原子构成的稳定 结构：由
12个五元环和20个六元环组成的类似足球
富勒烯的命名
C36
C60
C180
C70
2.富勒烯材料的历史
富勒烯材料的简介
富勒烯外包 装
富勒烯 在生活中 无处不在
宇宙中发现的碳 的同素异形体-石墨烯与富勒烯
富勒烯诱导
你
体作N型半导 体
知 道
吗
？
富勒烯材料
• 目录 • 1.富勒烯的命名 • 2.富勒烯的历史 • 3.富勒烯的制备与提纯 • 4.富勒烯的种类 • 5.富勒烯的结构和性质 • 6.富勒烯的其他相关 • 7.富勒烯的应用与发展前景
3.富勒烯材料的制备与提纯
富勒烯的制备： 大量低成本地制备高纯度的富勒烯是
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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- 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)。
7.富勒烯材料的应用与发展前景
• 由于特殊的结构和性质，C60在超导、磁性、 光学、催化、材料及生物等方面表现出优 异的性能，得到广泛的应用。特别是1990 年以来制备出克量级的C60，使C60的应用研 究更加全面、活跃。像在电子学领域，生 物医药领域，超导领域，大气与水处理领
域，高能材料与太阳能电池领域，催化剂
富勒烯的命名
C36
C60
C180
C70
2.富勒烯材料的历史
• 早在1965年，二十面体C60H60被认为是一种可能的拓 扑结构。20世纪60年代科学家们对非平面的芳香结构产生 了浓厚的兴趣，很快就合成了碗状分子碗烯 （Corannulene）。日本科学家大泽映二想到，也许会有 一种分子由sp杂化的碳原子组成，比如将几个碗烯拼起来 的共轭球状结构，实现三维芳香性。他开始研究这种球状 分子，不久他得出这种结构可以由截去一个二十面体的顶 角得到，并称之为截角二十面体，就像足球的拼皮结构那 样。大泽虽然在1970年就预言了C60分子的存在，但遗憾 的是，由于语言障碍，他的两篇用日文发表的文章并没有 引起人们的普遍重视，而大泽本人也没有继续对这种分子 的研究，因而使得C60的发现已经是15年以后的事了。
5.富勒烯的结构和性质
• 化学性质 A、C60和金属的反应 一种是金属包含于C60笼内 部（La@C60,已发现一系列不 同碳数的富勒烯可形成金属内 包合物，如 k,Na,Cs,La,Ca,Ba,Sr,U,Y,Ce 等）；另一种为位于C60球外 表（V, Fe, Co, Ni,Cu,Rh,La等） B、和自由基的反应 C60有很强的和自由基反应 的能力，可和1-15个的苄基、 1-34个的甲基反应生成自由基 和非自由基的加合物，享有 “自由基海绵”的美称。
4.富勒烯的种类
巴基球团簇：最小的是C20 （二十烷的 不饱和衍生物）和最常见的C60； 碳纳米管：非常小的中空管，有单壁和 多壁之分;在电子工业有潜在的应用； 巨碳管：比纳米管大，管壁可制备成不 同厚度，在运送大小不同的分子方面有 潜在价值； 聚合物：在高温高压下形成的 链状、二 维或三维聚合物。 纳米“洋葱”：多壁碳层包裹在巴基球 外部形成球状颗粒，可能用于润滑剂；
4.富勒烯的种类
Hale Waihona Puke 富勒体（Fullerites）：是富勒烯及其衍生 物的固态形态的称呼 巴克球：DFT计算得到C60的电子基态在 整个球上等值的 内嵌富勒烯：是将一些原子嵌入富勒烯 碳笼而形成的一类新型内嵌富勒烯
5.富勒烯的结构和性质
富勒烯结构:
在数学上，富勒烯的结构都是以 五边形和六边形面组成的凸多面体。 最小的富勒烯是C20，有正十二面 体的构造。没有22个顶点的富勒烯， 之后都存在C2n的富勒烯，n=12、 13、14……所有富勒烯结构的五边 形个数为12个，六边形个数为n-10。
5.富勒烯的结构和性质
碳六十比 例模型
碳六十微观空间结构
碳六十棒模型
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5.富勒烯的结构和性质
富勒烯的性质： • 物理性质： C60的密度为1.7g/cm3。C60不溶于水， 在正己烷、苯、二硫化碳、四氯化碳等非 极性溶剂中有一定的溶解性。C60为淡黄色 固体，薄膜加厚时转成棕色，在有机溶剂 中呈洋红色。C70为红棕色固体，厚膜时为 灰黑色，溶剂中为红葡萄酒色。C60能在不 裂解情况下升华。硬度比钻石还硬，轫度 (延展性)比钢强100倍，它能导电，导电性 比铜强，重量只有铜的六分之一，它的成 分是碳，所以可从废弃物中提炼
7.富勒烯材料的应用与发展前景
• 生物医药领域 抗氧化和神经保护作用富 勒烯被认为是 “清除自由基的 海绵”, 实验证明其可以有效 减少神经元死亡。 富勒烯这种 神经保护的活性主要与其清除 自由基 ( 超氧阴离子、羟自由 基) 的能力有关。实验表明, 多 羟基富勒烯[C60(OH)n], 又名 富勒醇是一种很好的抗氧化剂, 清除自由基效率高, 且其水溶 好, 可以自由穿过血脑屏障。 可以降低原代培养的皮质神经 元 的凋亡水平, 保护自由基对 神经组织的损伤。
5.富勒烯的结构和性质
• 富勒烯晶体（如C60固体）由于是由一个个分子堆砌形成 的，分子本身的化学键已达到饱和和封闭，不需要其他原 子来满足其表面化学键的要求.因此从这种意义上说，富勒 烯是今天已知有限大小的唯一稳定形式的纯碳. • 超导性： 经过适当的金属搀杂后的C60表现出良好的导电性和 超导性。1991年3月美国贝耳实验室首先报道搀钾后的 K3C60具有超导性，其临界温度为18K。 光学性质： C60和C70的甲苯溶液在低光强下遵守朗伯—比尔定 律，透射比不随光强度增加而变化，但当光强超过 100mJ/cm2时，透射比显著下降，并保持在65mJ/cm2。
1.富勒烯的命名
1985年， Kroto等采用质谱仪研究激光蒸发石墨电 极粉末，发现在不同数量碳原子形成的碳簇结构中 包含六十个和七十个碳原子的团簇具有更高的稳定 性，于是提出由六十个碳原子构成的稳定结构：由 12个五元环和20个六元环组成的类似足球的空心球 状结构（如下图），由于它是由60个碳原子组成 的，所以称它为C60，同时将具有相似结构的这一 类物质（如C36、C70，C180等）命名为富勒烯。
富勒烯材料的简介
富勒烯 在生活中 无处不在
富勒烯外包装
宇宙中发现的碳的同 素异形体--石墨烯与富 勒烯
富勒烯诱导体作N 型半导体
你 知 道 吗 ︖
网球拍
富勒烯材料
• • • • • • • • 目录 1.富勒烯的命名 2.富勒烯的历史 3.富勒烯的制备与提纯 4.富勒烯的种类 5.富勒烯的结构和性质 6.富勒烯的其他相关 7.富勒烯的应用与发展前景
3.富勒烯材料的制备与提纯
电弧法： 一般将电弧室抽成高真空，然后通入惰 性气体如氦气。电弧室中安置有制备富勒 烯的阴极和阳极，电极阴极材料通常为光 谱级石墨棒，阳极材料一般为石墨棒，通 常在阳极电极中添加铢、镍、铜或碳化钨 等作为催化剂。当两根高纯石墨电极靠近 进行电弧放电时，炭棒气化形成等离子体， 在惰性气氛下小碳分子经多次碰撞、合并、 闭合而形成稳定的C60及高炭富勒烯分子， 它们存在于大量颗粒状烟灰中，沉积在反
7.富勒烯材料的应用与发展前景
• 超导领域 C60分子本身不导电。 但当碱金属嵌入C60分 子之间的空隙后，C60与 碱金属的系列化合物将转 变为超导体，如K3C60即 为超导体，且具有很高的 超导临界温度。与氧化物 超导体比较，C60系列超 导体具有完美的三维超导 性，电流密度大，稳定性 高，易于展成线材等优点， 是一类极具价值的新型超 导材料。
6.富勒烯材料的其他相关
金刚石，石墨，富勒烯，纳米
各种富勒烯结构
富勒烯环 碳纳米管
6.富勒烯材料的其他相关
碳分子图库
助。
从左边起，依次为金刚石、石墨、碳链、C60、C70 和纳米管
6.富勒烯材料的其他相关
石墨 金刚石 富勒烯 六边形相邻边：0.1391 六边形与五边形邻边： 0.1455 分子型（室温晶格：面 心立方） C60直径：0.7nm 内腔：0.5nm
2.富勒烯材料的历史
• 1996年，诺贝尔化学 奖授予来自英国的 HaroldKroto和美国得 克萨斯州的Richard Smalley 和RobertCurl， 以表彰他们在1985年 的发现巴基球-富勒烯， 即C60和C70。
3.富勒烯材料的制备与提纯
富勒烯的制备： 大量低成本地制备高纯度的富勒烯是富 勒烯研究的基础，自从克罗托发现C60以来， 人们发展了许多种富勒烯的制备方法。目 前较为成熟的富勒烯的制备方法主要有电 弧法、热蒸发法、燃烧法和化学气相沉积 法、激光法等。
7.富勒烯材料的应用与发展前景
• 催化剂领域 催化氢转移和硅氢化反应 催化烷烃裂解反应 催化H2-D2互换反应、催化耦合和烷基转移 反应 在非金属固氮体系中的应用 在金刚石合成及助推剂中的应用
7.富勒烯材料的应用与发展前景
• 润滑领域 理论研究：完全非 公度下可实现超滑。 实验研究：C60膜可 使摩擦性能得到一定 改善。C60用于润滑添 加剂具有一定的极压 和润滑性能。C60的衍 生物C60F 60俗称“特 氟隆”可做为“分子 滚珠”和“分子润滑 剂”
7.富勒烯材料的应用与发展前景
• 高能材料与太阳能电池领 域 以C60为基础，经过物 理化学处理，可能研发出 未来的高能材料。 氮系富勒烯N60可能在 下一代火箭推进剂得到应 用。 P型共轭聚合物和N型富 勒烯混合组成复合物，作 为太阳能电池的薄膜材料， 可提高光电转换效率。
Polyera聚合物富勒烯有机太阳 能电池转换效率可达9.1%
•
C—C键长 （nm）
层内： 0.1415 层间距：0.3354
0.1545
晶型
混合型
原子型
导电性
能导电 稳定，高温下可以 与强氧化性酸和活 泼金属起反应
不导电，可以成 为半导体材料
稳定，高温下可 以被氧化
不导电，掺金属入内腔 后有可能成为超导体
活泼，可在球面上起多 种反应。腔内可包容金 属原子
化学性质
5.富勒烯的结构和性质
C、亲核加成反 应 容易与胺类、膦 化物、磷酸盐等 进行亲核加成反 应。 D、亲电加成反 应 比亲核加成难， 可和气态卤素X2 反应生成C60Xn
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6.富勒烯材料的其他相关
• 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。
球形结构强抗压能力
7.富勒烯材料的应用与发展前景
• • • • • • • • • • • • 用途 备注 高温有机超导体和半导体 搀杂金属的 C0 衍生物,如 K3C60 等 有机铁磁体 如部分还原产物 C60(TDAE)0.86 润滑剂 C60 晶体具有良好的润滑性， 医学应用(药物设计) 1）疾病诊断2）药物合成3）生产缓释药物。 催化剂 加氢脱氢反应催化剂；内含金属或配合物催化剂等 化学原料 球表面功能化反应，制取各种化合物。 各种材料 建筑材料，复合材料，涂料等 限光器 非线性光学的应用 电子器件 金属碳笼化合物可用于电子数据储。 保护空气敏感 置于富勒烯笼内 制造金刚石 C60 在高压下可转化为金刚石