碳基础知识、简介及应用.ppt

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第一讲碳材料的基础知识结构、性质,第一节碳材料的基础知识传统碳材料,（ClassicCarbons）木炭，竹炭（Charcoals）活性炭（Activatedcarbons）炭黑（Carbonblacks）焦炭（Coke）天然石墨（Naturalgraphite）石墨电极，炭刷,新型碳材料,（NewCarbons）金刚石（Diamond）炭纤维（carbonfibers）石墨层间化合物（GraphiteIntercalationcompounds）柔性石墨（Flexiblegraphite）核石墨（Nucleargraphite）多孔炭（Porouscarbons）,储能用炭材料玻璃炭（Glass-likecarbons）,炭棒，铅笔碳纳米材料,（Nanocarbons）,富勒烯（Fullerenes）碳纳米管（Carbonnanotubes）纳米金刚石（Nanodiamond）石墨烯（Graphene）,碳材料的发展历史史前时期:

木炭,纳米碳材料,纳米碳材料,热解碳（Pyrocarbon）,热解碳和热解石墨是一种具有特殊结构和性能的气相沉积碳。

热解碳按其特性可以分为高密度的致密热解碳与低密度的疏松热解碳和各向同性与各向异性热解碳。

其性能和结构取决于热解温度。

800-1000以下热解的是热解碳,在1400-2000热解或更高温度下处理的叫热解石墨。

热解碳的性质结构取决于其制造条件，其中以沉积温度为重。

从其反应机理上说,制备热解碳要经历两个阶段:

1发生炭化过程,生成焦碳和分离的挥发产物。

2生成的产物降解成热解碳、水、气体。

第二节碳纳米材料简介,碳纳米材料：

碳材料中扮演重要角色,碳纳米材料重要的碳材料,碳纳米材料：

是指其结构至少在一个维度上处于纳米尺度（0.1nm100nm）范围内的固体超细碳材料零维的富勒烯一维的碳纳米管二维的金刚石薄膜等,1985年巴基球（C60）。

柯尔、克罗托和斯莫利在模拟宇宙长链碳分子的生长研究中，发现了与金刚石、石墨的无限结构不同的，具有封闭球状结构的分子C60。

因此，1996年获得诺贝尔化学奖。

1991年日本电气公司的S.Iijima（饭岛）在制备C60、对电弧放电后的石墨棒进行观察时，发现圆柱状沉积，空的管状物。

直径0.7-30nm。

Carbonnanotubes（CNTs）,碳纳米材料的发展历史,1992年瑞士洛桑联邦综合工科大学的D.Ugarte等发现了巴基葱（Carbonnanoonion）；2000年，北大彭练矛研究组用电子束轰击单壁碳纳米管，发现了=0.33nm的碳纳米管,但稳定性较差;2003年5月4日，日本信州大学和三井物产下属的CNRI子公司研制成功=0.4nm的碳纳米管。

同年，日本名古屋大学筱原久典教授制备出了纳米电缆；2004年3月下旬,中国科学院高能物理研究所赵宇亮、陈振玲、柴之芳等研究人员，利用一定能量的中子与C70分子相互作用，首次成功合成、分离、表征了单原子数目富勒烯分子C141;2004年4月30日Science杂志报道，我国科学家合成出了C50、C110（厦门大学）；2004年，英国曼彻斯特大学物理学家安德烈盖姆和康斯坦丁诺沃肖洛夫，成功从石墨中分离出石墨烯；2009年，美国Rice大学的研究员制备出长度几百米的碳纳米管；2010年，安德烈盖姆和康斯坦丁诺沃肖洛夫获得诺贝尔物理奖。

碳纳米材料的发展历史,2014年7月-日凤凰网,碳纳米材料的分类,富勒烯:

碳的第四种同素异形体（金刚石、石墨和无定形碳）富勒烯包括：

碳纳米球（C50、C60、C70、C76、C80、C82、C84、C90、C94等）、碳纳米管（单壁和多壁碳纳米管）、碳纳米葱一般富勒烯特指碳纳米球石墨烯纳米金刚石,碳纳米管,C80,碳纳米材料的分类富勒烯,纳米金刚石,碳纳米材料的分类,石墨烯,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,碳纳米材料的应用涉及领域,电化学超导体与铁磁体微机械学微电子学,第三节碳的同素异形体与结构从化学的角度对碳材料进行分类,3.1碳元素的特点,碳元素的最大特点之一：

存在着众多同素异形体。

如人们熟悉的金刚石和石墨，前些年发现的卡宾（碳宾、碳烯），以C60为代表的富勒烯和碳纳米管等以及最新发现的石墨烯（Graphene）。

石墨烯,富勒烯,碳纳米管,石墨,金刚石,几乎可涵盖地球上所有物质的性质甚至相对立的两种性质，如从最硬到极软、全吸光到全透光、绝缘体到半导体到导体、绝热到良导热、高临界温度的超导体等。

独特的电子结构原因。

碳元素是六号元素，其原子最外层有四个价电子，C原子除了可以sp3杂化轨道形成单键外，还能以sp2及sp杂化轨道形成稳定的双键和叁键，可以和各种原子形成共价键，从而形成许许多多结构和性质完全不同的物质。

碳元素构成材料的特点,为什么？

金刚石的人工合成、石墨层间化合物的研究、富勒烯（碳笼原子簇）及碳纳米管的发现及研究都取得了令人瞩目的进展。

这些以单质碳为基础的无机碳化学给人们展现了无限的想象空间。

IBM表示将开发在碳纳米管上融合一片集成电路的器件。

该技术有望加快下一代芯片产品的面世。

美国贝尔实验室的研究小组使用富勒烯在较高温度下（117K）制造出了电阻为零的有机超导体。

3.2碳的同素异形体概述,在学术界，一般认为碳的同素异形体包括：

金刚石、石墨、碳笼原子簇和碳纳米管。

石墨，混合键型或过渡型晶体，碳原子间以sp2杂化成键；炭黑等无定形碳都是微晶石墨。

金刚石，原子晶体，碳原子间以sp3杂化成键；,单键双键三键,2S2和2P2轨道电子杂化spn杂化=1、2、3,3.3碳的电子结构碳元素的特点原子系数为6第二周期的IV族基态：

1s22s22px2py外层4个电子半充满-稳定状态,3.3碳的电子结构碳的电子轨道,3.3碳的电子结构SP3轨道杂化,金刚石正四面体空间杂化方式,3个P轨道和1个S轨道,3.3碳的电子结构碳原子的杂化轨道及其键合状况,18,3.4碳的单质sp3家族（金刚石家族）金刚石立方金刚石六方金刚石类金刚石,立方金刚石类金刚石,3.3碳的电子结构,金刚石中所有的键均为Sigma键石墨中除了Sigma键之外，还有一个离域大Pi共有电子导电性,3.3碳的电子结构SP2轨道杂化,石墨平面空间杂化方式,2个P轨道和1个S轨道,3.3碳的电子结构Sigma键与Pi键,轨道重叠成键的方式:

Sigma“头碰头”,Pi,“肩并肩”,3.4碳的单质sp2家族（石墨家族）石墨六方晶系石墨菱形石墨大量介于晶体和无定型组织结构之间的石墨,石墨烯,碳纳米管单壁、多壁,3.4碳的单质sp家族线形碳，卡宾（碳烯）聚炔（Polyyne-type）累积双键（Cumulene-type）,碳的同素异形体的结构及物性参数表,