碳纳米材料及其应用

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(0.1-100nm)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。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。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。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。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3-1C60结构富勒烯C601、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-butyricacidmethylester，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管碳纳米管碳纳米管（英语：CarbonNanotube，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。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。