碳纳米材料及其应用
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通过质谱分析、X射线分析后证明，C60的分子结构为球形32面体，它是由60个碳原子通过20个六 元环和12个五元环连接而成的具有30个碳碳双键的足球状空心对称分子，所以，富勒烯也被称为足 球烯。
图 3-1 C60 结构
富勒烯C60
1、护肤品添加剂：由于富勒烯能够亲和自由基，因 此个别商家将水溶性富勒烯分散于化妆品，但是效果 一般且价格昂贵。 2、有机太阳能电池：自1995年俞刚博士将富勒烯的 衍生物PCBM（[6,6]-phenyl-C61-butyric acid methyl ester， 简称PC61BM或PCBM）用于本体异质结有机太阳能电 池以来，有机太阳能电池得到了长足的发展，其中有 三家公司已经将掺杂PCBM的有机太阳能电池商用， 迄今大部分有机太阳能电池以富勒烯做为电子受体材 料。 3、C60，在医学上可以控制甚至可以杀死癌细胞，其 衍生物可以辅助治疗艾滋病（尚处于试验阶段。 4、在重工业领域，可以作为润滑油的添加剂，提高 其润滑性能，满足一些机械设备的润滑要求
碳纳米材料及其应用
碳纳米材料及其应用
• 关于纳米材料 • 几种碳纳米材料的研究及应用
石墨烯 富勒烯（以C60为例） 碳纳米管
纳米材料
纳米材料
纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺寸(0.1-100 nm)或由它们作为基本单元构成的材料 由于纳米尺寸的物质具有与宏观物质所迥异的表面效应、小尺寸效应、宏观量子隧道效应和量子限 域效应，因而纳米材料具有异于普通材料的光、电、磁、热、力学、机械等性能。纳米材料的性能往往 由量子力学决定。 应用领域： 1、 天然纳米材料：生物学家在研究鸽子、海豚、蝴蝶、蜜蜂等生物为什么从来不会迷失方向时，也 发现这些生物体内同样存在着纳米材料为它们导航。 2、纳米磁性材料：纳米粒子尺寸小，具有单磁畴结构和矫顽力很高的特性，用它制成的磁记录材料 不仅音质、图像和信噪比好，而且记录密度比γ-Fe2O3高几十倍。 3、纳米陶瓷材料：纳米陶瓷的晶粒尺寸小，晶粒容易在其他晶粒上运动，因此，纳米陶瓷材料具有 极高的强度和高韧性以及良好的延展性，这些特性使纳米陶瓷材料可在常温或次高温下进行冷加工。 4、纳米传感器：纳米二氧化锆、氧化镍、二氧化钛等陶瓷对温度变化、红外线以及汽车尾气都十分 敏感。因此，可以用它们制作温度传感器、红外线检测仪和汽车尾气检测仪，检测灵敏度比普通的同类 陶瓷传感器高得多。 5、纳米催化材料：纳米粒子是一种极好的催化剂，这是由于纳米粒子尺寸小、表面的体积分数较大、 表面的化学键状态和电子态与颗粒内部不同、表面原子配位不全，导致表面的活性位置增加，使它具备 了作为催化剂的基本条件。
以C60为代表的富勒烯
富勒烯C60
富勒烯(Fullerene)是一种完全由碳组成的中空分子，形状呈球型、椭球型、柱型或管状。富勒烯 在结构上与石墨很相似，石墨是由六元环组成的石墨烯层堆积而成，而富勒烯不仅含有六元环还有 五元环，偶尔还有七元环。
巴克明斯特富勒烯（英语：Buckminsterfullerene），分子式C60，是富勒烯家族的一种，球状分子， 是最容易得到、最容易提纯和最廉价的一种，因此C60及其衍生物是被研究和应用最多的富勒烯。
优秀的力学性能，高强度、较小的密度，良好的柔韧性，优秀的导电导热性。
碳纳米管
1、在复合材料中的应用：碳纳米管除具有一般纳米粒子的尺寸 效应外，还具有力学强度大、柔韧性好、电导率高等独特的性质， 成为聚合物复合材料理想的增强体，在化工、机械、电子、航空、 航天等领域具有广泛的应用。 2、纳米碳管是一种很好的储氢材料 3、在二次电池和超级电容器中的应用：在性能更好的锂离子电 池中，碳纳米管可以作为电池的负极材料，使电池有更好的锂嵌 入量和锂脱嵌可逆性。 4、碳纳米管尺寸小、比表面积大，通过对它的修饰可以得到很 好的催化剂。
总结
碳纳米材料是纳米材料领域重要的组成部分，在物理化学、材料科学、 机械工程、电子工程和生物医学工程等领域具有潜在的应用，应该进一步 深入系统研究。我们有理由相信，随着研究的不断深入，碳纳米材料将极 大地造福于人类。
纳米技术正成为各国科技界所关注的焦点，正如钱学森院士所预言的 那样：“纳米左右和纳米以下的结构将是下一阶段科技发展的特点，会是 一次技术革命，从而将是21世纪的又一次产业革命。
石墨烯
石墨烯
石墨烯是一种平面单层紧密打包成一个二维（2D）蜂窝晶格的碳原子，并且是所有其他维度的石 墨材料的基本构建模块。它可以被包装成零维（0D）的富勒烯，卷成了一维（1D）的纳米管或堆叠 成三维（3D）的石墨[7]。石墨烯由碳原子形成的原子尺寸蜂巢晶格结构如图4-1所示。
石墨烯的结构非常稳定，碳碳键仅为1.42Å 。石墨烯内部的碳原子之间的连接很柔韧，当施加外力 于石墨烯时，碳原子面会弯曲变形，使得碳原子不必重新排列来适应外力，从而保持结构稳定。这种 稳定的晶格结构使石墨烯具有优秀的导热性。另外，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。
碳纳米管
碳纳米管
碳纳米管（英语：Carbon Nanotube，缩写CNT）是在1991年1月由日本筑波NEC实验室的物理学家饭岛澄 男使用高分辨透射电子显微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。
Baidu Nhomakorabea
极强的导电性、导热性和机械性能（其强度是普通钢铁的200倍）
图 4-1 原子尺寸蜂巢晶格结构
图 4-2 电子显微镜下石墨烯薄片
石墨烯
几种制备方法
1.机械剥离法 优点：制备成本非常低（几乎可忽略），易于学习， 且此法得到的石墨烯质量非常好好，缺陷少，性能优 异 缺点：得到的石墨烯尺寸很小，一般在10-100um之间， 而且完全不可能大规模制备 3.氧化石墨还原法 优点：方法较简单，原料成本不高，基本没有设备成 本，且易于规模制备 缺点：此法得到的石墨烯缺陷非常多，电学、力学性 能都较差 4.CVD，化学气相沉积法 优点：单次生长尺寸可以很大（将近20寸），有可能 规模化生产，且生长得到的石墨烯性能很好缺陷少 缺点：转移是难题，而且生长出来的一般都是多晶
石墨烯
应用及发展前景
1、制造下一代超级计算机。石墨烯是目前已知导电性能最 好的材料，这种特性尤其适合于高频电路，石墨烯将是硅 的替代品，可用来生产未来的超级计算机，使电脑运行速 度更快、能耗降低。
2、可作为液晶显示材料。石墨烯是一种“透明”的导体，可
以用来替代现在的液晶显示材料，用于生产下一代电脑、 电视、手机的显示屏。 3、制造晶体管集成电路。石墨烯可取代硅成为下一代超高 频率晶体管的基础材料，而广泛应用于高性能集成电路和 新型纳米电子器件中。 4、制造医用消毒品和食品包装。中国科研人员发现细菌的 细胞在石墨烯上无法生长，而人类细胞却不会受损。利用 石墨烯的这一特性可以制作绷带，食品包装，也可生产抗 菌服装、床上用品等。
图 3-1 C60 结构
富勒烯C60
1、护肤品添加剂：由于富勒烯能够亲和自由基，因 此个别商家将水溶性富勒烯分散于化妆品，但是效果 一般且价格昂贵。 2、有机太阳能电池：自1995年俞刚博士将富勒烯的 衍生物PCBM（[6,6]-phenyl-C61-butyric acid methyl ester， 简称PC61BM或PCBM）用于本体异质结有机太阳能电 池以来，有机太阳能电池得到了长足的发展，其中有 三家公司已经将掺杂PCBM的有机太阳能电池商用， 迄今大部分有机太阳能电池以富勒烯做为电子受体材 料。 3、C60，在医学上可以控制甚至可以杀死癌细胞，其 衍生物可以辅助治疗艾滋病（尚处于试验阶段。 4、在重工业领域，可以作为润滑油的添加剂，提高 其润滑性能，满足一些机械设备的润滑要求
碳纳米材料及其应用
碳纳米材料及其应用
• 关于纳米材料 • 几种碳纳米材料的研究及应用
石墨烯 富勒烯（以C60为例） 碳纳米管
纳米材料
纳米材料
纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺寸(0.1-100 nm)或由它们作为基本单元构成的材料 由于纳米尺寸的物质具有与宏观物质所迥异的表面效应、小尺寸效应、宏观量子隧道效应和量子限 域效应，因而纳米材料具有异于普通材料的光、电、磁、热、力学、机械等性能。纳米材料的性能往往 由量子力学决定。 应用领域： 1、 天然纳米材料：生物学家在研究鸽子、海豚、蝴蝶、蜜蜂等生物为什么从来不会迷失方向时，也 发现这些生物体内同样存在着纳米材料为它们导航。 2、纳米磁性材料：纳米粒子尺寸小，具有单磁畴结构和矫顽力很高的特性，用它制成的磁记录材料 不仅音质、图像和信噪比好，而且记录密度比γ-Fe2O3高几十倍。 3、纳米陶瓷材料：纳米陶瓷的晶粒尺寸小，晶粒容易在其他晶粒上运动，因此，纳米陶瓷材料具有 极高的强度和高韧性以及良好的延展性，这些特性使纳米陶瓷材料可在常温或次高温下进行冷加工。 4、纳米传感器：纳米二氧化锆、氧化镍、二氧化钛等陶瓷对温度变化、红外线以及汽车尾气都十分 敏感。因此，可以用它们制作温度传感器、红外线检测仪和汽车尾气检测仪，检测灵敏度比普通的同类 陶瓷传感器高得多。 5、纳米催化材料：纳米粒子是一种极好的催化剂，这是由于纳米粒子尺寸小、表面的体积分数较大、 表面的化学键状态和电子态与颗粒内部不同、表面原子配位不全，导致表面的活性位置增加，使它具备 了作为催化剂的基本条件。
以C60为代表的富勒烯
富勒烯C60
富勒烯(Fullerene)是一种完全由碳组成的中空分子，形状呈球型、椭球型、柱型或管状。富勒烯 在结构上与石墨很相似，石墨是由六元环组成的石墨烯层堆积而成，而富勒烯不仅含有六元环还有 五元环，偶尔还有七元环。
巴克明斯特富勒烯（英语：Buckminsterfullerene），分子式C60，是富勒烯家族的一种，球状分子， 是最容易得到、最容易提纯和最廉价的一种，因此C60及其衍生物是被研究和应用最多的富勒烯。
优秀的力学性能，高强度、较小的密度，良好的柔韧性，优秀的导电导热性。
碳纳米管
1、在复合材料中的应用：碳纳米管除具有一般纳米粒子的尺寸 效应外，还具有力学强度大、柔韧性好、电导率高等独特的性质， 成为聚合物复合材料理想的增强体，在化工、机械、电子、航空、 航天等领域具有广泛的应用。 2、纳米碳管是一种很好的储氢材料 3、在二次电池和超级电容器中的应用：在性能更好的锂离子电 池中，碳纳米管可以作为电池的负极材料，使电池有更好的锂嵌 入量和锂脱嵌可逆性。 4、碳纳米管尺寸小、比表面积大，通过对它的修饰可以得到很 好的催化剂。
总结
碳纳米材料是纳米材料领域重要的组成部分，在物理化学、材料科学、 机械工程、电子工程和生物医学工程等领域具有潜在的应用，应该进一步 深入系统研究。我们有理由相信，随着研究的不断深入，碳纳米材料将极 大地造福于人类。
纳米技术正成为各国科技界所关注的焦点，正如钱学森院士所预言的 那样：“纳米左右和纳米以下的结构将是下一阶段科技发展的特点，会是 一次技术革命，从而将是21世纪的又一次产业革命。
石墨烯
石墨烯
石墨烯是一种平面单层紧密打包成一个二维（2D）蜂窝晶格的碳原子，并且是所有其他维度的石 墨材料的基本构建模块。它可以被包装成零维（0D）的富勒烯，卷成了一维（1D）的纳米管或堆叠 成三维（3D）的石墨[7]。石墨烯由碳原子形成的原子尺寸蜂巢晶格结构如图4-1所示。
石墨烯的结构非常稳定，碳碳键仅为1.42Å 。石墨烯内部的碳原子之间的连接很柔韧，当施加外力 于石墨烯时，碳原子面会弯曲变形，使得碳原子不必重新排列来适应外力，从而保持结构稳定。这种 稳定的晶格结构使石墨烯具有优秀的导热性。另外，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。
碳纳米管
碳纳米管
碳纳米管（英语：Carbon Nanotube，缩写CNT）是在1991年1月由日本筑波NEC实验室的物理学家饭岛澄 男使用高分辨透射电子显微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。
Baidu Nhomakorabea
极强的导电性、导热性和机械性能（其强度是普通钢铁的200倍）
图 4-1 原子尺寸蜂巢晶格结构
图 4-2 电子显微镜下石墨烯薄片
石墨烯
几种制备方法
1.机械剥离法 优点：制备成本非常低（几乎可忽略），易于学习， 且此法得到的石墨烯质量非常好好，缺陷少，性能优 异 缺点：得到的石墨烯尺寸很小，一般在10-100um之间， 而且完全不可能大规模制备 3.氧化石墨还原法 优点：方法较简单，原料成本不高，基本没有设备成 本，且易于规模制备 缺点：此法得到的石墨烯缺陷非常多，电学、力学性 能都较差 4.CVD，化学气相沉积法 优点：单次生长尺寸可以很大（将近20寸），有可能 规模化生产，且生长得到的石墨烯性能很好缺陷少 缺点：转移是难题，而且生长出来的一般都是多晶
石墨烯
应用及发展前景
1、制造下一代超级计算机。石墨烯是目前已知导电性能最 好的材料，这种特性尤其适合于高频电路，石墨烯将是硅 的替代品，可用来生产未来的超级计算机，使电脑运行速 度更快、能耗降低。
2、可作为液晶显示材料。石墨烯是一种“透明”的导体，可
以用来替代现在的液晶显示材料，用于生产下一代电脑、 电视、手机的显示屏。 3、制造晶体管集成电路。石墨烯可取代硅成为下一代超高 频率晶体管的基础材料，而广泛应用于高性能集成电路和 新型纳米电子器件中。 4、制造医用消毒品和食品包装。中国科研人员发现细菌的 细胞在石墨烯上无法生长，而人类细胞却不会受损。利用 石墨烯的这一特性可以制作绷带，食品包装，也可生产抗 菌服装、床上用品等。