1、7.2 無機高分子化合物無機高分子化合物7.1 無機碳化學無機碳化學第第7章章 無機化學研究前沿無機化學研究前沿7.3 納米材料納米材料7.1.3 碳納米管碳納米管7.1.2 碳單質及其衍生物碳單質及其衍生物7.1 無機碳化學無機碳化學7.1.1 概述概述 有人預言，21世紀是“超碳時代”。理由是：金剛石的人工合成、碳纖維的開發應用、石墨層間化合物的研究、富勒烯(碳籠原子簇)及線型碳的發現及研究都取得了令人矚目的進展。這些以單質碳為基礎的無機碳化學給人們展現了無限的想象空間。 IBM日前表示將開發在碳納米管上融合一片集成電路的器件。該技術有望加快下一代芯片產品的面世。 美國貝爾實驗室的研究小組

2、使用富勒烯在較高溫度下(117K)制造出了電阻為零的有機超導體。7.1.1 概述概述 在學術界，一般認為金剛石、石墨、碳籠原子在學術界，一般認為金剛石、石墨、碳籠原子簇、線型碳是碳的幾種同素異形體。簇、線型碳是碳的幾種同素異形體。7.1.2 碳單質及其衍生物碳單質及其衍生物 石墨，混合鍵型或過渡型晶體，碳原子間以sp2雜化成鍵；無定形碳和碳黑都是微晶石墨。 金剛石，原子晶體，碳原子間以sp3雜化成鍵； 富勒烯(碳籠原子簇)，分子晶體，碳原子間以s0.305p0.695雜化軌道成鍵(3條鍵) ；碳原子上還有1條鍵(s0.085p0.915)； 線型碳，分子晶體，碳原子間以sp雜化成鍵。 其化學穩

3、定性為： 線型碳石墨金剛石富勒烯。1. 金剛石 金剛石主要用于精密機械制造、電子工業、光學工業、半導體工業及化學工業。天然金剛石稀少，只限于用作裝飾品，因此人工合成金剛石正在成為碳素材料中的重要研究開發領域。金剛石的合成 金剛石合成已有四十多年的歷史。已報道的合成方法大致可分為兩類：石墨轉化法和氣相合成法石墨轉化法 常溫常壓下石墨轉化為金剛石是非自發的，但在高溫高壓(由疏松到致密)下可能實現這種轉化，其溫度和壓力條件因催化劑的種類不同而不同。 石墨轉化法可分為靜態超高壓高溫法和動態法石墨轉化法可分為靜態超高壓高溫法和動態法兩種。兩種。 靜態超高壓高溫法靜態超高壓高溫法 用高壓設備壓縮傳壓介質產

4、用高壓設備壓縮傳壓介質產生生310GPa的超高壓，并利用電流通過發熱體，的超高壓，并利用電流通過發熱體，將合成腔加熱到將合成腔加熱到l0002000高溫。其優點是能較高溫。其優點是能較長時間保持穩定的高溫高壓條件，易于控制。該法長時間保持穩定的高溫高壓條件，易于控制。該法可得到磨料級金剛石，但設備技術要求高。可得到磨料級金剛石，但設備技術要求高。 為了獲得粒度較大的優質金剛石單晶，普遍采為了獲得粒度較大的優質金剛石單晶，普遍采用過渡金屬用過渡金屬(Ni，Fe，Co等等)及其合金作觸媒，保持及其合金作觸媒，保持約約5GPa的壓力、的壓力、1500K的溫度到一定的時間，使石的溫度到一定的時間，使石

5、墨轉化金剛石。要獲得優質粗粒的金剛石單晶，一墨轉化金剛石。要獲得優質粗粒的金剛石單晶，一般用石墨片與觸媒片交替組裝的方式。般用石墨片與觸媒片交替組裝的方式。動態法動態法 利用動態波促使石墨直接轉變成金剛石。利用動態波促使石墨直接轉變成金剛石。動態沖擊波可由爆炸、強放電和高速碰撞等瞬時產動態沖擊波可由爆炸、強放電和高速碰撞等瞬時產生，在被沖擊介質中可同時產生高溫高壓，使石墨生，在被沖擊介質中可同時產生高溫高壓，使石墨轉化為金剛石。該法作用時間短轉化為金剛石。該法作用時間短(僅幾微秒僅幾微秒)，壓力，壓力及溫度不能分別加以控制，但裝置相對簡單，單次及溫度不能分別加以控制，但裝置相對簡單，單次裝料多

6、，因而產量高。產品為微粉金剛石，可通過裝料多，因而產量高。產品為微粉金剛石，可通過燒結成大顆粒多晶體，但質量較差。燒結成大顆粒多晶體，但質量較差。 石墨轉化法所得的金剛石往往是細粒乃至粉石墨轉化法所得的金剛石往往是細粒乃至粉末，使用時往往需燒結。此外，產品中還含有未反末，使用時往往需燒結。此外，產品中還含有未反應的石墨、催化劑等雜質，因此還需提純。這種產應的石墨、催化劑等雜質，因此還需提純。這種產品主要用于精密機械制造領域。品主要用于精密機械制造領域。氣相合成法(CVD法) 氣相法是用含碳氣態物質作碳源，產物往往是附在基體上的金剛石薄膜。研究表明，含碳氣態物質在一定高溫分解出的甲基自由基，甲基

7、自由基相當于金剛石的活性種子。因為金剛石中的碳處于sp3雜化狀態，甲基中的碳也處于sp3雜化狀態，甲基自由基分解后便以金剛石的形式析出。 氣相法成功地制成了膜狀金剛石，使金剛石的應用范圍大大擴展，因為高溫高壓合成的金剛石及天然金剛石的應用只是利用其高硬度特性，其他優異的特性均因形態的限制而未能得到很好的開發和利用。膜狀金剛石必然會進入半導體工業、電子工業及光學等領域。 日前，國際化學界權威學術刊物美國化學會志(J. Am. Chem. Soc.)刊發了中國科技大學陳乾旺教授領導的研究組的論文“低溫還原二氧化碳(CO2)合成金剛石” 。 他們自己研制高壓反應釜進行實驗，用安全無毒的二氧化碳作原料

8、，使用金屬鈉作為還原劑，在440和800個大氣壓的條件下，經過12小時的化學反應，終于成功地將CO2還原成了金剛石。目前，已能生長出1.2毫米的金剛石，有望達到寶石級，產物外觀無色、透明，可與天然金剛石媲美 此法CO2轉化金剛石的產率達8.9% ，工藝重復性好，結果日前已申請國際專利。2.石墨及其石墨層間化合物石墨 石墨具有層狀晶體的結構。在晶體中，C原子采用sp2雜化軌道成鍵，彼此間以鍵連接在一起，同時在同一層上還有一個大 鍵。 同一層的碳CC鍵長143 pm，層與層之間的距離為335 pm。669.6 pm 245.6pm335 pm143pm石墨層間化合物 石墨的碳原子層間有較大的空隙，

9、容易插入電離能小的堿金屬和電子親和能大的鹵素、鹵化物及酸等，從而形成石墨層間化合物(GIC)。石墨層間化合物的類型 石墨層間化合物按基質嵌入物間的化學鍵分類，可分為離子型和共價型兩大類。 在離子型化合物中，堿金屬之類的插入物形成向石墨提供電子的層間化合物，稱為施主型; 插入物為鹵素、鹵化物時，形成從石墨得到電子的層間化合物，稱為受主型化合物。 由高溫直接氟化反應得到的氟化石墨及由HClO4等強氧化劑在100 以下的低溫合成的氧化石墨(含O及OH)，基質嵌入物間具有共價鍵，稱共價型層間化合物。石墨層間化合物的合成 合成方法主要有直接合成法和電化學法。直接合成法是使石墨與反應物直接接觸反應。電化學

10、法是將石墨作為陽極，反應物的電解質溶液作電解液進行電解而制備石墨層間化合物的方法。運用石墨層間化合物的結構 離子型石墨層間化合物中碳原子基本保持石墨的平面層狀結構，插入層的層間距增大，未插入層的層間距無變化。石墨層間化合物按插入層的分布分為不同的階數：一階化合物每隔1個碳原子層插入1層反應物，如C8K； 二階為每隔2層插入1層反應物，如C24K；三階為每隔3層插入1層反應物，如C36K 依此類推。據報道已有階數為15的層間化合物。 在共價型石墨層間化合物中，嵌入物與基質碳原子間的化學鍵是共價鍵。一般而言，石墨的層平面要變形。例如氟化石墨，其碳原子層是折皺的，折皺面內各碳原子以sp3雜化軌道與其

11、他3個碳原子及1個氟原子結合，CC鍵長與一般CC單鍵相等，層間距為730pm，比未插入層增大一倍多。石墨層間化合物的功能與應用 石墨層間化合物的性質因嵌入物不同、階數不同而不同，其功能及應用是多方面的，主要可用于：輕型高導電材料、電極材料、新型催化劑、固體潤滑劑、貯氫及同位素分離材料、防水防油劑等。電極材料 石墨間隙化合物的電阻比石墨本身還低，在垂直方向降低了約10倍，沿石墨層水平方向降低了近100倍。而且間隙化合物具有與真正的金屬一樣的電阻，即電阻率隨溫度升高而升高。 石墨層間化合物適宜作電極。以氟化石墨為正極，鋰為負極的一次電池已工業化。輕型高導電材料輕型高導電材料 石墨層間化合物的電導率

12、比石墨更高，有的石墨層間化合物的電導率比石墨更高，有的超過了銅超過了銅(電導率為電導率為5.3107 Sm-l)，且這些物質的，且這些物質的密度比一般金屬低，故作為輕型導電材料受到青睬。密度比一般金屬低，故作為輕型導電材料受到青睬。 固體潤滑劑固體潤滑劑 用氟化石墨作固體潤滑劑，具有在高溫、真用氟化石墨作固體潤滑劑，具有在高溫、真空或氧化還原氣氛中保持好的潤滑性能的優點空或氧化還原氣氛中保持好的潤滑性能的優點(而而一般的石墨存在潤滑性能下降的缺陷一般的石墨存在潤滑性能下降的缺陷)。這是由于。這是由于氟化石墨的層面由氟化石墨的層面由CF鍵構成，其表面能極小，鍵構成，其表面能極小，容易滑動之故。容

13、易滑動之故。貯氫及同位素分離材料貯氫及同位素分離材料 鉀、銣、銫等堿金屬的石墨層間化合物在一鉀、銣、銫等堿金屬的石墨層間化合物在一定溫度下能化學或物理吸附氫。如定溫度下能化學或物理吸附氫。如C8K吸附氫生成吸附氫生成C8KHx(0 x2)，且離解溫度及離解能低，吸附與，且離解溫度及離解能低，吸附與解吸完全可逆，達平衡的時間短，因而可作貯氫材解吸完全可逆，達平衡的時間短，因而可作貯氫材料。更有趣的是這種吸附對氫、氖、氖有選擇性，料。更有趣的是這種吸附對氫、氖、氖有選擇性，因而可用于氫同位素分離。因而可用于氫同位素分離。新型催化劑新型催化劑 如如C8K作乙烯、苯乙烯等聚合反應的催化劑作乙烯、苯乙烯

14、等聚合反應的催化劑 石墨鉀石墨鉀FeCl3三元層間化合物作三元層間化合物作H2和和N2為原料合成氨的催化劑，為原料合成氨的催化劑，350 下下1h轉化率可達轉化率可達90 %。防水防油劑防水防油劑 如氟化石墨的表面自由能和聚四氟乙烯相近如氟化石墨的表面自由能和聚四氟乙烯相近或略低，顯示了極強的疏水性。因此，可利用此疏或略低，顯示了極強的疏水性。因此，可利用此疏水性預防因水而引起的潤滑和污染附著。在鍍鎳時，水性預防因水而引起的潤滑和污染附著。在鍍鎳時，如使如使Ni和氟化石墨共析，可得防水性極強的金屬表和氟化石墨共析，可得防水性極強的金屬表面。面。石墨復合磁粉石墨復合磁粉 將鐵鹽插入石墨層間可制得

15、石墨復合磁粉，將鐵鹽插入石墨層間可制得石墨復合磁粉，其磁性能優于其磁性能優于Fe2O3磁粉，用作磁記錄介質，磁粉，用作磁記錄介質，可增大對帶基附著力、減小對磁頭的磨損、提高其可增大對帶基附著力、減小對磁頭的磨損、提高其防潮性能及溫度穩定性。防潮性能及溫度穩定性。3. 碳纖維 碳纖維是由有機纖維經炭化及石墨化處理而得到的微晶石墨材料。碳纖維的微觀結構類似人造石墨，是亂層石墨結構。碳纖維的制備 目前應用較普遍的碳纖維主要是聚丙烯腈碳纖維和瀝青碳纖維。 碳纖維的制造包括纖維紡絲、熱穩定化(預氧化)、炭化及石墨化等4個過程。其間伴隨的化學變化，包括脫氫、環化、氧化及脫氧等。碳纖維的性質及其應用碳纖維的

16、性質及其應用 碳纖維具有模量高、強度大、密度小、耐高溫、碳纖維具有模量高、強度大、密度小、耐高溫、抗疲勞、抗腐蝕、自潤滑等優異性能。從航天、航抗疲勞、抗腐蝕、自潤滑等優異性能。從航天、航空、航海等高技術產業到汽車、建筑、輕工等民用空、航海等高技術產業到汽車、建筑、輕工等民用工業的各個領域正逐漸得到越來越廣泛的應用。主工業的各個領域正逐漸得到越來越廣泛的應用。主要用于導電、隔熱、過濾等方面。要用于導電、隔熱、過濾等方面。 碳纖維增強復合材料作結構材料碳纖維增強復合材料作結構材料, 可作飛機的可作飛機的尾翼或副翼尾翼或副翼, 通信衛星的天線系統和導波管、航天通信衛星的天線系統和導波管、航天飛機的貨

17、艙門、燃料箱、助推火箭的外殼。在建筑飛機的貨艙門、燃料箱、助推火箭的外殼。在建筑方面，可作碳纖維增強水泥地板，并有取代鋼筋的方面，可作碳纖維增強水泥地板，并有取代鋼筋的可能性。可能性。 作為非結構材料, 碳纖維復合材料可作密封材料、耐磨材料、隔熱材料、電極材料。 在原子能工程上用碳纖維石墨復合材料作鈾棒的幕墻材料, 不僅可以防止鈾棒的輻射變形, 使其對中子的吸收截面變小, 反射中子能力增強, 而且在光氧條件下能耐3000 以上的高溫。 將碳纖維進行活化處理，得到活性碳纖維，是已知的比表面積最大的物質之一(2500 m2g-1)，被稱為第3代活性炭，作為新型吸附劑具有重要的應用前景。 在醫學上，

18、碳纖維增強型塑料是一種理想的人工心肺管道材料，也可作人工關節、假肢、假牙等。4. 富勒烯 1985年，英國Sussex大學的H. W. Kroto等人用激光作石墨的氣化試驗發現了C60，這是一種由60個碳原子組成的穩定原子簇。此后又發現了C50、C70、C240乃至C540等，它們都具有空心的球形結構，屬于籠形碳原子簇分子。由于C60的結構類似建筑師Buckminster Fuller設計的圓頂建筑，因而稱為富勒烯(Fullerend)，也有布基球、足球烯、球碳、籠碳等名稱。 C60是20世紀的重大科學發現之一。Kroto等人因此而榮獲2019年諾貝爾化學獎。富勒烯的結構特點富勒烯的結構特點

19、以以C60為代表的富勒烯均是空心球形構型，碳原為代表的富勒烯均是空心球形構型，碳原子分別以五元環和六元環而構成球狀。如子分別以五元環和六元環而構成球狀。如C60就是就是由由12個正五邊形和個正五邊形和20個正六邊形組成的三十二面體，個正六邊形組成的三十二面體，像一個足球。每個五邊形均被像一個足球。每個五邊形均被5個六邊形包圍個六邊形包圍, 而每而每個六邊形則鄰接著個六邊形則鄰接著3個五邊形和個五邊形和3個六邊形。富勒烯個六邊形。富勒烯族分子中的碳原子數是族分子中的碳原子數是28、32、50、60、70 240、540等偶數系列的等偶數系列的“幻數幻數”。 C60分子中碳原子彼此以鍵鍵合，其雜化

20、軌道類型介于sp2與sp3之間，平均鍵角為116。碳原子上剩余的軌道相互形成大鍵。相鄰兩六元環的CC鍵長為138.8 pm，五元環與六元環共用的CC鍵長為143.2 pm。 C70為橢球形，C240及C540與C60的差別更大一些，但都是籠形空心結構。 C60的晶體屬分子晶體，晶體結構因晶體獲得的方式不同而異，但均系最緊密堆積所成。用超真空升華法制得的C60單晶為面心立方結構。 C60的合成的合成 1985年以激光氣化石墨法只能制取幾毫克的年以激光氣化石墨法只能制取幾毫克的C60，不足以開展大量的研究。直到，不足以開展大量的研究。直到1990年，年，C60的合成才取得突破。目前的合成才取得突破

21、。目前C60的合成法主要可分為的合成法主要可分為以下兩種：以下兩種：石墨氣化法石墨氣化法 電弧放電法氣化石墨，每小時可氣化電弧放電法氣化石墨，每小時可氣化10g，產，產物是一種黑色粉末，是物是一種黑色粉末，是C60和和C70的混合物。用升的混合物。用升華法、色譜法等可得到純的華法、色譜法等可得到純的C60和和C70。純碳燃燒法純碳燃燒法 在在573673 K真空中加熱特制的炭黑，收集蒸真空中加熱特制的炭黑，收集蒸氣凝結成的固體，制得氣凝結成的固體，制得C60和和C70。富勒烯的應用前景富勒烯的應用前景 從化學和材料科學的角度來看，富勒烯具有重從化學和材料科學的角度來看，富勒烯具有重要的學術意義

22、和應用前景，其中最早令人關注的是要的學術意義和應用前景，其中最早令人關注的是金屬摻雜富勒烯的超導性。金屬摻雜富勒烯的超導性。 由于室溫下富勒烯是分子晶體，由于室溫下富勒烯是分子晶體，C60的能帶結的能帶結構表明是半導體，能隙為構表明是半導體，能隙為1.5eV。但經過適當的金。但經過適當的金屬摻雜后，都能變成超導體。屬摻雜后，都能變成超導體。 摻雜富勒烯超導體有兩個特點：摻雜富勒烯超導體有兩個特點： 一是與一維一是與一維有機超導體和三維氧化物超導體不同，摻雜富勒烯有機超導體和三維氧化物超導體不同，摻雜富勒烯超導體是各向同性非金屬三維超導體；二是超導臨超導體是各向同性非金屬三維超導體；二是超導臨界

23、溫度界溫度Tc比金屬超導體高，如摻雜比金屬超導體高，如摻雜I的的IxC60的的Tc已已達達57 K。下表列出一些富勒烯衍生物超導體及其臨界溫度。光學性質光學性質 C60具有非線性光學性質，隨著光強不同，具有非線性光學性質，隨著光強不同，它對入射光的折射方向也發生改變。它對入射光的折射方向也發生改變。C70能把普通能把普通光轉化成強偏振光，因此光轉化成強偏振光，因此C70有可能用作三維光學有可能用作三維光學電腦開關，可能用于光纖通訊。電腦開關，可能用于光纖通訊。醫學領域醫學領域 某些水溶性某些水溶性C60衍生物具有生物活性。二氨衍生物具有生物活性。二氨基二酸二苯基基二酸二苯基C60具有抑制人體免

24、疫缺損病毒酶具有抑制人體免疫缺損病毒酶HIVP的功效，因此有可能從富勒烯衍生物中開發的功效，因此有可能從富勒烯衍生物中開發出一種治療艾滋病的新藥。出一種治療艾滋病的新藥。 還有報道，一種水溶性還有報道，一種水溶性C60脂質體包結物，脂質體包結物，與體外培養的人子宮頸癌細胞融合后以鹵素燈照射，與體外培養的人子宮頸癌細胞融合后以鹵素燈照射，對癌細胞具很強的殺傷能力。對癌細胞具很強的殺傷能力。 此外C60能承受20Gpa的靜壓，可用于承受巨大壓力的火箭助推器； C60的球形結構，可望成為超級潤滑劑； 根據C60的磁性和光學性質，C60有可能作光電子計算機信息存儲的元器件材料。 總之，富勒烯的應用前景

25、十分誘人，但要獲得廣泛的應用還有許多問題需要解決。例如，富勒烯及其衍生物的合成必須有新的突破，因為目前成功的合成法所得的富勒烯成本是很高的，很大程度地限制了其應用的研究開發。5. 線型碳 很長時間以來，人們認為碳的同素異形體僅有層間結構的石墨和立體結構的金剛石，前者的碳原子以sp2雜化軌道成鍵，后者以sp3雜化軌道成鍵。 1968年，前西德科學家在Riss火山口的石墨片麻巖中發現了與石墨層交替出現的薄膜線型碳，后來又在含碳球粒隕石和星際粉塵中發現了多種結晶形態的線型碳。由于理論上預言線型碳可能是一種室溫超導體及超強纖維材料，因而很大程度上激勵了各國研究者的研究熱情。 前蘇聯化學家以乙炔氧化縮聚

26、合成了線型碳分子，并把它命名為卡拜(Carbyne)，源自分子中的共軛三鍵結構。其實線型碳還有另一種鍵聯形式，即累積雙鍵型，前者稱為-卡拜，后者稱-卡拜。 在有關文獻中，也有不少用線型碳“Linear carbon的名稱，以示其碳原子為sp 雜化軌道彼此鍵聯而成的線型結構。為避免與卡賓及卡拜配合物混淆，美國化學文摘中線型碳的主題詞是Carbyne (polymer)。線型碳的制備線型碳的制備 線型碳合成法很多，可以歸納為如下線型碳合成法很多，可以歸納為如下3種：石種：石墨轉化法、有機高分子還原脫氫或鹵化氫法及炔烴墨轉化法、有機高分子還原脫氫或鹵化氫法及炔烴氧化縮聚法。氧化縮聚法。 據報道據報道

27、, 天然的線型碳為六方晶系天然的線型碳為六方晶系, 有有7種晶格。種晶格。合成的線型碳多為黑色的無定形態合成的線型碳多為黑色的無定形態, 不溶于任何已不溶于任何已知的有機及無機溶劑知的有機及無機溶劑, 這給結構研究帶來很大的困這給結構研究帶來很大的困難。難。 由于合成上的困難及難溶性，有關線型碳化學由于合成上的困難及難溶性，有關線型碳化學性質的研究很少。性質的研究很少。線型碳的應用線型碳的應用 線型碳的惰性及結構特征使其可能成為優于碳線型碳的惰性及結構特征使其可能成為優于碳纖維的超強纖維。線型碳對生物體的親合性優于高纖維的超強纖維。線型碳對生物體的親合性優于高分子材料，可能成為性能優異的生物醫

28、學材料。有分子材料，可能成為性能優異的生物醫學材料。有報道，俄羅斯科學家已將線型碳用作外科手術的縫報道，俄羅斯科學家已將線型碳用作外科手術的縫合線及人造動物器官，并申請了發明專利。合線及人造動物器官，并申請了發明專利。 線型碳可能提供一個非高溫高壓條件下合成金線型碳可能提供一個非高溫高壓條件下合成金剛石的新途徑。至于令人關注的常溫超導性，盡管剛石的新途徑。至于令人關注的常溫超導性，盡管至今的實驗結果令理論工作者失望，但須說明的是至今的實驗結果令理論工作者失望，但須說明的是已報導的人工合成線型碳并非直線型的高分子線型已報導的人工合成線型碳并非直線型的高分子線型碳。如果能夠合成無限長鏈的直線型碳。

29、如果能夠合成無限長鏈的直線型線型碳晶線型碳晶體，就可能解開這個謎。體，就可能解開這個謎。 1991年1月由日本NEC公司的物理學家飯島澄男使用高分辨率分析電鏡從電弧法生產的碳纖維中發現碳納米管。 科學家們預測碳納米管將成為21世紀最有前途的一維納米材料，納米電子器件材料和新一代平板顯示材料。 7.1.3 納米碳管納米碳管 碳納米管是由石墨中的的碳原子卷曲而成的管狀的材料，管的直徑一般為幾納米(最小為1納米左右)到幾十納米，管的厚度僅為幾納米。 實際上，碳納米管可以形象地看成是類似于極細的鐵絲網卷成的一個空心圓柱狀的長“籠子”。碳納米管的直徑十分微小，十幾萬個碳管排起來才有人的一根頭發絲寬；而碳

30、納米管的長度卻可到達一百微米。碳納米管的結構碳納米管的結構 根據組成碳納米管管壁中碳原子層的數目，碳根據組成碳納米管管壁中碳原子層的數目，碳納米管可被分為單層碳管和多層碳管。納米管可被分為單層碳管和多層碳管。 碳納米管的實際結構比理想模型復雜得多，它碳納米管的實際結構比理想模型復雜得多，它是由理想同心石墨片圓柱形結構，而很多是卷曲石是由理想同心石墨片圓柱形結構，而很多是卷曲石墨結構，結構中存在大量位錯，而且橫截面是多邊墨結構，結構中存在大量位錯，而且橫截面是多邊橢圓形。橢圓形。 碳納米管的制備碳納米管的制備 目前，人們可以用電弧放電法、激光蒸發法和目前，人們可以用電弧放電法、激光蒸發法和有機氣

31、體催化熱解法來大量制備碳納米管。有機氣體催化熱解法來大量制備碳納米管。 但碳納米管的制備技術仍存在三方面難題：但碳納米管的制備技術仍存在三方面難題：目前的產物多呈雜亂分布，碳納米管之間相互纏繞，目前的產物多呈雜亂分布，碳納米管之間相互纏繞，難以分散；難以分散；用電弧放電法制備的碳納米管被燒結成束，束中存用電弧放電法制備的碳納米管被燒結成束，束中存在很多非晶碳等雜質；在很多非晶碳等雜質；目前制備的碳納米管的長度只有幾十微米，只能用目前制備的碳納米管的長度只有幾十微米，只能用掃描隧道顯微鏡和原子力顯微鏡等非常規方法來測掃描隧道顯微鏡和原子力顯微鏡等非常規方法來測量其物理性能，給實驗測量帶來極大困難

32、。量其物理性能，給實驗測量帶來極大困難。 從1992年起，中國科學院物理所解思深研究員開始利用放電法和化學方法制備碳納米管。 2019年發明了一種在孔內含有納米催化劑顆粒的、多孔的二氧化硅的襯底上生長定向碳納米管的方法已獲中國發明專利），制備出大面積、高密度、離散分布的定向碳納米管。管徑均勻為20納米，管間距為100納米，管長約為100微米。 這一研究工作，于2019年在 “Science上發表。碳納米管的應用碳納米管的應用 納米碳管有許多特異的物理性能。如納米碳管納米碳管有許多特異的物理性能。如納米碳管的熱導與金剛石相近，電導高于銅。但納米碳管的的熱導與金剛石相近，電導高于銅。但納米碳管的應

33、用研究還在探索階段：應用研究還在探索階段：高強度碳纖維：理論計算表明，納米碳管的抗張強高強度碳纖維：理論計算表明，納米碳管的抗張強度比鋼高度比鋼高100倍，但重量只有鋼的六分之一。其長倍，但重量只有鋼的六分之一。其長度是直徑的幾千倍，度是直徑的幾千倍，5萬個并排起來才有人的一根萬個并排起來才有人的一根頭發那么寬，因而號稱頭發那么寬，因而號稱“超級纖維超級纖維”。 復合材料：近年的研究表明，納米碳管與介孔固體復合材料：近年的研究表明，納米碳管與介孔固體(孔徑在孔徑在250 nm的多孔固體的多孔固體)組裝，形成介孔復合組裝，形成介孔復合體，將是一種特殊性能的新型材料。體，將是一種特殊性能的新型材料

34、。納米電子器件：美國已用納米碳管成功地制備了納米碳化鈦、碳化鐵、碳化鋁等納米棒，在納米碳化鈮棒中還發現了超導現象。 我國利用碳納米管研制出新一代顯示器。這種顯示器不僅體積小、重量輕、省電、顯示質量好，而且響應時間僅為幾微秒，從-4585 都能正常工作。催化纖維和膜工業：碳納米管“列陣制成的取向膜，可被用作場發射器件，也可被制成濾膜，由于膜也為納米級，可對某些分子和病毒進行過濾，從而使超濾膜進入一個嶄新的天地。 Berkely實驗室材料科學部(MSD)的物理學家Alex Zettl， 合成出需要借助于電子顯微鏡才能看到的世界最小的人造軸承和機械開關、世界最小的室溫二極管。產物借助碳納米管合成，其

35、直徑僅有幾個納米大小。7.2.2 無機高分子化合物的分類無機高分子化合物的分類7.2.3 分子篩分子篩7.2.1 無機高分子化合物概述無機高分子化合物概述7.2 無機高分子化合物無機高分子化合物 無機高分子物質也稱為無機大分子物質，它與一般低分子無機物質相比具有如下特點： (1) 由多個“結構單元組成 (2) 相對分子質量大 (3) 相對分子質量有“多分散性” (4) 分子鏈的幾何形狀復雜 無機高分子物質的分子則可由其他多種元素的原子構成主鏈。完全由同一種元素構成的主鏈叫做“均鏈”，由不同種元素的原子構成的主鏈叫做雜鏈。原子間主要靠共價鍵(包括配位鍵)互相結合。7.2.1 無機高分子化合物概述

36、無機高分子化合物概述7.2.2 無機高分子化合物的分類無機高分子化合物的分類(1) 按照主鏈結構分類：均鏈高分子物質：由同一種元素的原子構成其主鏈，如： 鏈狀硫 SSS雜鏈高分子物質：主鏈由不同種元素的原子構成，如： 聚磷腈化合物 PNPN 分子篩 OSiOAl/Ti/Fe H H H 聚硅烷 SiSiSi H H H(2) 按照高分子物質的空間因次分類： 一維高分子物質：結構單元按線型連接，所以也稱為鏈狀無機高分子物質。 二維高分子物質：結構單元是在平面上連接，形成平面型大分子。平面分子相互按一定規律重疊構成晶體，所以也稱為層狀高分子物質。 三維高分子物質：結構單元是在三維空間方向上連接，所

37、以也稱為骨架型(或網絡型)高分子物質。 分子篩是多孔材料的一種，傳統硅鋁骨架的分子篩也被稱為沸石，沸石分子篩。 1756年，瑞典科學家A. F. Cronstedt將一種礦物進行焙燒時發現有氣泡產生，類似于液體的沸騰現象，因此將其命名為 “沸石” 。這就是沸石分子篩名字的由來。 在長期的實踐活動中人們對天然沸石的一些性質有了一定的認識，其中包括沸石礦物具有可逆的脫水作用，即沸石脫水后又能重新吸附水。7.2.3 分子篩分子篩 1. 分子篩起源 后來人們發現沸石是自然界中廣泛存在的一類礦物，其結構有多種多樣。如方沸石,斜發沸石,蝕沸石,毛沸石,片沸石等，迄今為止，已經有40余種天然沸石結構被發現。

38、但是經國際沸石學會認定并命名的天然沸石結構還不及30種。STIMAZ2. 人工合成分子篩的研究 人工合成分子篩最早采用的合成方法是模仿天然沸石的地質生成條件，采取高溫水熱合成技術 (高壓大于200 和高溫高于 10MPa)進行合成。 上世紀50年代，美國聯合碳化物公司(UCC)的Milton, Breck和Sand等人，在硅鋁酸鹽凝膠中加入堿金屬或堿土金屬氫氧化物，采用低溫水熱合成技術反應溫度為 25-150，通常為 100和自生壓力），成功地合成出了一系列低硅鋁比與中硅鋁比Si/Al2.5沸石：A型、X型、L型和Y型沸石以及絲光沸石等。 這一類分子篩具有較高的離子交換性能，優良的親水性和酸性，因而被應用于離子交換、吸附等領域。這一類沸石分子篩通常被稱為第一代分子篩。 二十世紀六十年代，美國Mobil 公司的科學家們開始將有機胺及季胺鹽引入沸石分子篩的水熱合成體系，開創了模板法合成沸石分子篩的新路線，合成出了一批高硅鋁比沸石，以ZSMn系列沸石分子篩為代表。 這一類高硅分子篩具有較好的催化性、水熱穩定性、較高的抗腐蝕性等優點，被廣泛的應用于石油加工、精細化工等催化領域，這類分子篩通常被稱為第二代分子篩。 1982 年，美國 U.C.C.公司的 Wilson S.