第六章 碳纳米材料的合成与应用PPT课件
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超导性：室温下是分子晶体，适当的金属掺杂后 的C60表现出良好的导电性和超导性（完美的
三维超导性）。
8
（2）化学性质：缺电子多烯烃的反应特性 芳香性，倾向于得到电子，易于与亲核试 剂 （如NH3）和金属反应； C60的中空球型结构使得它能在内外表面都
能进行反应
9
10
2.1 C60的加成反应： C60具有不饱和性，C60的加成反应包括C60的 亲核加成反应和C60的亲电加成反应
22
碳纳米管的形成原理：
当石墨原子层弯曲时，C－C
键发生形变，能量升高，体
系保留有应变能;
对面积有限的石墨原子层，
有很多悬键，能量升高;
把一片石墨原子层卷曲成筒
状并让两个对边相接，则两
边的悬键互相结合，能量降低;
获得的能量降低值大于卷曲石
墨原子层所需克服的应变能，
CNT可以稳定存在
23
2) 多壁碳纳米管（Multi-walled nanotubes, MWNTs）：含有多层石墨烯片。形状象个同轴电 缆。其层数从2～50不等，层间距为0.34±0.01nm， 与石墨层间距(0.34nm)相当。多壁管的典型直径和 长度分别为2～30nm和0.1～50μm。
碳亲核试剂：格氏试剂或有机锂试剂
C60＋10t-BuMgBr＋10CH3I
C60(t-Bu)10Me10
胺类(如乙二胺、丙胺、吗啡等)及磷亲核试剂(如磷化 物、磷硼烷衍生物等)都可以加成到C60的双键上。
11
2.2 富勒烯与自由基的反应 “自由基海绵”; 可和1~15个苄基，1~34个甲基生成自由基和非自
14
2.5 富勒烯与金属的反应
金属包含于富勒烯笼内部
M@C60
金属与富勒烯的笼外壁发生反应 M-C60
有机超导体
15
四、 C60的合成方法 4.1 电弧法 原理：
阳极电极在电弧产生的高温下蒸发，于阴极附近 沉积出纳米管。 特点： 简单快速 质量不稳定
16
4.2 苯火焰燃烧法
纯碳和氧在苯火焰上燃烧 从1000g纯碳中得到3g富勒烯
工艺参数： C/O比 压力 稀释气体
4.3 等离子体法 化学方法： 4.4 有机物真空闪速分解法 4.5 表面催化合成
17
五、C60的应用 有机超导体： 超级固体润滑剂：
C60打开30个双键与氟发生加成反应生成 C60F60，耐高 温（约700℃），被称为“分子滚珠"。
多电子存储系统
顶端含C60的星型聚乙烯大分子
子中的介于单键和双键之间的特殊键
6
3.2 C60的物理化学性质 （1）物理性质 颜色：黑色粉末，密度1.65g/cm3±0.05g/cm3，
熔点>700℃； 力学性能：抗冲击能力强 能在不裂解情况下升华； 溶解性：易溶于CS2、甲苯等非极性溶剂；
7
光学性能：具有非线性光学性能 当光线透射富勒烯球体时，其折射方向依光的 强度而变化
第六章 碳纳米材料的合 成与应用
富勒烯合成与应用 碳纳米管的合成与应用 碳纳米材料的纯化与功能化
1
第一节 富勒烯的合成与应用 一、碳材料简介
碳家族材料： 无定形碳 石墨 金刚石 富勒烯 碳纳米管 石墨烯
2
二、富勒烯 （Cn）: 由碳组成的五边形和六边形连接而成的封闭多面体 巴基球：C50 、 C60 、C70、C76、C80、C82、
高能锂电池
将金属锂植入C60内部形成Li@C60化合物
18
有机软铁磁体：磁性记忆材料 光学材料：C60具有较大的非线性光学系数和高
稳定性等特点，在光计算、光记忆、光信号处理 及控制等方面有所应用。 分子放大器：用于探针分析，以增加STM设备的 分辨率。 功能高分子材料： 生物活性材料： 对癌细胞具有很强的杀伤效应。
19
C60作成的分子算盘 STM操纵C60分子形成纳米算盘的示意图
20
第二节 碳纳米管的合成与应用 一、碳纳米管简介 （巴基管 ） 纳米碳管是由单层或多层多个碳原子六方点阵的同 轴圆柱面套构成的空心小管
碳纳米管原子排列结构示意图21
二、 碳纳米管的结构 1) 单壁碳纳米管（Single-walled nanotubes, SWNTs）：由一层石墨烯片组成。单壁管典型 的直径和长度分别为0.75～3nm和1～50μm。又 称富勒管(Fullerenes tubes)。
24
Leabharlann Baidu
单壁碳纳米管
多壁碳纳米管
局部出现凹凸弯曲：由于在碳六边形网格中引入了 五边形和七边形缺陷所致。
当出现五边形时：张力作用导致碳纳米管凸出； 当出现七边形时：碳纳米管则凹进。
25
三、碳纳米管的性质 1）力学性能 (1)高机械强度：钢100倍强度，
1/6重量 (2)高长径比: 103数量级 (3)高比表面: 400-500m2/g
4
三、C60的结构与性质
3.1 C60的结构 直径~1nm 由60个碳原子构成球形32面体 12个五元环，20个六元环
Fullerene、Buckyball、 footballene
5
碳原子以sp2.28杂化轨道与另外三个碳原子成键,形成碳笼
结构；剩下的p轨道在笼的内壁和外围形成大π键；
碳与碳之间形成的键,不是单纯的单键或双键,而是类似苯分
由基的加合物 .
.
12
2.3 富勒烯的氧化还原反应 C60可以像烯烃一样用OsO4氧化，生成C60的锇酸 酯。
C60＋OsO4＋2C5H5N C6H5CH3，0～25℃ [Os(O)2(py)2(OC60O)]
13
2.4 C60的聚合反应： 在光照、辐射等外界条件下，发生聚合反应
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；(Polymer Network ) 4.C60通过化学键连接在基质材料表面。(Martrix -Bound)
(4) 高弹性和弯曲刚性
26
2) 电学性能 与石墨的片层结构相同，具有很好的电学性能。 当CNTs的管径大于6nm时，导电性能下降； 当管径小于6nm时，具有良好导电性能
C84、 C90 巴基管：单壁和多壁碳纳米管 巴基葱：一层套一层的洋葱状的巴基球
3
C60
The Nobel Prize in Chemistry 1996
理查德·E·斯莫利
美国罗伯特·F.·科尔 英国哈罗德·W.·克罗托
全新的碳化学： 平面低对称到球形全对称 一维超导到三维超导 平面石墨到多维结构
三维超导性）。
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（2）化学性质：缺电子多烯烃的反应特性 芳香性，倾向于得到电子，易于与亲核试 剂 （如NH3）和金属反应； C60的中空球型结构使得它能在内外表面都
能进行反应
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2.1 C60的加成反应： C60具有不饱和性，C60的加成反应包括C60的 亲核加成反应和C60的亲电加成反应
22
碳纳米管的形成原理：
当石墨原子层弯曲时，C－C
键发生形变，能量升高，体
系保留有应变能;
对面积有限的石墨原子层，
有很多悬键，能量升高;
把一片石墨原子层卷曲成筒
状并让两个对边相接，则两
边的悬键互相结合，能量降低;
获得的能量降低值大于卷曲石
墨原子层所需克服的应变能，
CNT可以稳定存在
23
2) 多壁碳纳米管（Multi-walled nanotubes, MWNTs）：含有多层石墨烯片。形状象个同轴电 缆。其层数从2～50不等，层间距为0.34±0.01nm， 与石墨层间距(0.34nm)相当。多壁管的典型直径和 长度分别为2～30nm和0.1～50μm。
碳亲核试剂：格氏试剂或有机锂试剂
C60＋10t-BuMgBr＋10CH3I
C60(t-Bu)10Me10
胺类(如乙二胺、丙胺、吗啡等)及磷亲核试剂(如磷化 物、磷硼烷衍生物等)都可以加成到C60的双键上。
11
2.2 富勒烯与自由基的反应 “自由基海绵”; 可和1~15个苄基，1~34个甲基生成自由基和非自
14
2.5 富勒烯与金属的反应
金属包含于富勒烯笼内部
M@C60
金属与富勒烯的笼外壁发生反应 M-C60
有机超导体
15
四、 C60的合成方法 4.1 电弧法 原理：
阳极电极在电弧产生的高温下蒸发，于阴极附近 沉积出纳米管。 特点： 简单快速 质量不稳定
16
4.2 苯火焰燃烧法
纯碳和氧在苯火焰上燃烧 从1000g纯碳中得到3g富勒烯
工艺参数： C/O比 压力 稀释气体
4.3 等离子体法 化学方法： 4.4 有机物真空闪速分解法 4.5 表面催化合成
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五、C60的应用 有机超导体： 超级固体润滑剂：
C60打开30个双键与氟发生加成反应生成 C60F60，耐高 温（约700℃），被称为“分子滚珠"。
多电子存储系统
顶端含C60的星型聚乙烯大分子
子中的介于单键和双键之间的特殊键
6
3.2 C60的物理化学性质 （1）物理性质 颜色：黑色粉末，密度1.65g/cm3±0.05g/cm3，
熔点>700℃； 力学性能：抗冲击能力强 能在不裂解情况下升华； 溶解性：易溶于CS2、甲苯等非极性溶剂；
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光学性能：具有非线性光学性能 当光线透射富勒烯球体时，其折射方向依光的 强度而变化
第六章 碳纳米材料的合 成与应用
富勒烯合成与应用 碳纳米管的合成与应用 碳纳米材料的纯化与功能化
1
第一节 富勒烯的合成与应用 一、碳材料简介
碳家族材料： 无定形碳 石墨 金刚石 富勒烯 碳纳米管 石墨烯
2
二、富勒烯 （Cn）: 由碳组成的五边形和六边形连接而成的封闭多面体 巴基球：C50 、 C60 、C70、C76、C80、C82、
高能锂电池
将金属锂植入C60内部形成Li@C60化合物
18
有机软铁磁体：磁性记忆材料 光学材料：C60具有较大的非线性光学系数和高
稳定性等特点，在光计算、光记忆、光信号处理 及控制等方面有所应用。 分子放大器：用于探针分析，以增加STM设备的 分辨率。 功能高分子材料： 生物活性材料： 对癌细胞具有很强的杀伤效应。
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C60作成的分子算盘 STM操纵C60分子形成纳米算盘的示意图
20
第二节 碳纳米管的合成与应用 一、碳纳米管简介 （巴基管 ） 纳米碳管是由单层或多层多个碳原子六方点阵的同 轴圆柱面套构成的空心小管
碳纳米管原子排列结构示意图21
二、 碳纳米管的结构 1) 单壁碳纳米管（Single-walled nanotubes, SWNTs）：由一层石墨烯片组成。单壁管典型 的直径和长度分别为0.75～3nm和1～50μm。又 称富勒管(Fullerenes tubes)。
24
Leabharlann Baidu
单壁碳纳米管
多壁碳纳米管
局部出现凹凸弯曲：由于在碳六边形网格中引入了 五边形和七边形缺陷所致。
当出现五边形时：张力作用导致碳纳米管凸出； 当出现七边形时：碳纳米管则凹进。
25
三、碳纳米管的性质 1）力学性能 (1)高机械强度：钢100倍强度，
1/6重量 (2)高长径比: 103数量级 (3)高比表面: 400-500m2/g
4
三、C60的结构与性质
3.1 C60的结构 直径~1nm 由60个碳原子构成球形32面体 12个五元环，20个六元环
Fullerene、Buckyball、 footballene
5
碳原子以sp2.28杂化轨道与另外三个碳原子成键,形成碳笼
结构；剩下的p轨道在笼的内壁和外围形成大π键；
碳与碳之间形成的键,不是单纯的单键或双键,而是类似苯分
由基的加合物 .
.
12
2.3 富勒烯的氧化还原反应 C60可以像烯烃一样用OsO4氧化，生成C60的锇酸 酯。
C60＋OsO4＋2C5H5N C6H5CH3，0～25℃ [Os(O)2(py)2(OC60O)]
13
2.4 C60的聚合反应： 在光照、辐射等外界条件下，发生聚合反应
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；(Polymer Network ) 4.C60通过化学键连接在基质材料表面。(Martrix -Bound)
(4) 高弹性和弯曲刚性
26
2) 电学性能 与石墨的片层结构相同，具有很好的电学性能。 当CNTs的管径大于6nm时，导电性能下降； 当管径小于6nm时，具有良好导电性能
C84、 C90 巴基管：单壁和多壁碳纳米管 巴基葱：一层套一层的洋葱状的巴基球
3
C60
The Nobel Prize in Chemistry 1996
理查德·E·斯莫利
美国罗伯特·F.·科尔 英国哈罗德·W.·克罗托
全新的碳化学： 平面低对称到球形全对称 一维超导到三维超导 平面石墨到多维结构