碳基礎知識簡介與應用第一頁，共30頁。第一節碳材料的根底知識 傳統碳材料??????(ClassicCarbons)木炭，竹炭(Charcoals)活性炭(Activatedcarbons)炭黑(Carbonblacks)焦炭(Coke)天然石墨〔Naturalgraphite〕石墨電極，炭刷?新型碳材料??????(NewCarbons) 金剛石(Diamond) 炭纖維(carbonfibers) 石墨層間化合物(Graphite Intercalationcompounds) 柔性石墨(Flexiblegraphite) 核石墨〔Nucleargraphite〕 多孔炭(Porouscarbons)??儲能用炭材料玻璃炭〔Glass-likecarbons〕

炭棒，鉛筆碳納米材料(Nanocarbons)富勒烯(Fullerenes)碳納米管(Carbonnanotubes)納米金剛石(Nanodiamond)石墨烯(Graphene)第二頁，共30頁。碳材料的開展歷史 史前時期:木炭納米碳材料納米碳材料第三頁，共30頁。熱解碳(Pyrocarbon)熱解碳和熱解石墨是一種具有特殊構造和性能的氣相沉積碳。熱解碳按其特性可以分為高密度的致密熱解碳與低密度的疏松熱解碳和各向同性與各向異性熱解碳。其性能和構造取決于熱解溫度。800-1000℃以下熱解的是熱解碳,在1400-2000℃熱解或更高溫度下處理的叫熱解石墨。熱解碳的性質構造取決于其制造條件，其中以沉積溫度為重。從其反響機理上說,制備熱解碳要經歷兩個階段:1發生炭化過程,生成焦碳和別離的揮發產物。2生成的產物降解成熱解碳、水、氣體。第四頁，共30頁。第二節碳納米材料簡介碳納米材料：碳材料中扮演重要角色第五頁，共30頁。碳納米材料——重要的碳材料碳納米材料：是指其構造至少在一個維度上處于納米尺度〔0.1nm——100nm〕范圍內的固體超細碳材料 零維的富勒烯 一維的碳納米管 二維的金剛石薄膜等第六頁，共30頁。??1985年巴基球(C60)。柯爾、克羅托和斯莫利在模擬宇宙長鏈碳分子的生長研究中，發現了與金剛石、石墨的無限構造不同的，具有封閉球狀構造的分子C60。因此，1996年獲得諾貝爾化學獎。1991年日本電氣公司的S.Iijima(飯島)在制備C60、對電弧放電后的石墨棒進展觀察時，發現圓柱狀沉積，空的管狀物。直徑0.7-30nm。Carbonnanotubes(CNTs〕碳納米材料的開展歷史第七頁，共30頁。1992年瑞士洛桑聯邦綜合工科大學的D.Ugarte等發現了巴基蔥(Carbonnanoonion)；2000年，北大彭練矛研究組用電子束轟擊單壁碳納米管，發現了Ф=0.33nm的碳納米管,但穩定性較差;2003年5月4日，日本信州大學和三井物產下屬的CNRI子公司研制成功Ф=0.4nm的碳納米管。同年，日本名古屋大學筱原久典教授制備出了納米電纜；2004年3月下旬,中國科學院高能物理研究所趙宇亮、陳振玲、柴之芳等研究人員，利用一定能量的中子與C70分子相互作用，首次成功合成、別離、表征了單原子數目富勒烯分子C141;2004年4月30日Science雜志報道，我國科學家合成出了C50、C110(廈門大學)；2004年，英國曼徹斯特大學物理學家安德烈·蓋姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫，成功從石墨中別離出石墨烯；2021年，美國Rice大學的研究員制備出長度幾百米的碳納米管；2021年，安德烈·蓋姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫獲得諾貝爾物理獎。碳納米材料的開展歷史第八頁，共30頁。2021年7月-日鳳凰網第九頁，共30頁。碳納米材料的分類?富勒烯:碳的第四種同素異形體(金剛石、石 墨和無定形碳) –富勒烯包括：碳納米球〔C50、C60、C70、 C76、C80、C82、C84、C90、C94等〕、碳納米 管〔單壁和多壁碳納米管〕、碳納米蔥 –一般富勒烯特指碳納米球?石墨烯?納米金剛石第十頁，共30頁。碳納米管C80碳納米材料的分類

富勒烯第十一頁，共30頁。納米金剛石碳納米材料的分類石墨烯第十二頁，共30頁。??????有機化學無機化學生命科學材料科學高分子科學催化化學碳納米材料的應用

涉及領域?????電化學超導體與鐵磁體微機械學微電子學…第十三頁，共30頁。第三節碳的同素異形體與構造

—從化學的角度對碳材料進展分類第十四頁，共30頁。3.1碳元素的特點碳元素的最大特點之一：存在著眾多同素異形體。如人們熟悉的金剛石和石墨，前些年發現的卡賓〔碳賓、碳烯〕，以C60為代表的富勒烯和碳納米管等以及最新發現的石墨烯(Graphene)。石墨烯富勒烯碳納米管石墨金剛石第十五頁，共30頁。幾乎可涵蓋地球上所有物質的性質甚至相對立的兩種性質，如從最硬到極軟、全吸光到全透光、絕緣體到半導體到導體、絕熱到良導熱、高臨界溫度的超導體等。獨特的電子構造原因。碳元素是六號元素，其原子最外層有四個價電子，C原子除了可以sp3雜化軌道形成單鍵外，還能以sp2及sp雜化軌道形成穩定的雙鍵和叁鍵，可以和各種原子形成共價鍵，從而形成許許多多構造和性質完全不同的物質。——碳元素構成材料的特點為什么？第十六頁，共30頁。金剛石的人工合成、石墨層間化合物的研究、富勒烯(碳籠原子簇)及碳納米管的發現及研究都取得了令人矚目的進展。這些以單質碳為根底的無機碳化學給人們展現了無限的想象空間。IBM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。3.2碳的同素異形體概述第十七頁，共30頁。

在學術界，一般認為碳的同素異形體包括：金剛石、石墨、碳籠原子簇和碳納米管。

石墨，混合鍵型或過渡型晶體，碳原子間以sp2雜化成鍵；炭黑等無定形碳都是微晶石墨。

金剛石，原子晶體，碳原子間以sp3雜化成鍵；第十八頁，共30頁。單鍵雙鍵三鍵

2S2和2P2

軌道電子雜化spn雜化ｎ=1、2、33.3碳的電子構造 碳元素的特點 原子系數為6 第二周期的 IV族 基態：1s22s22px2py 外層4個電子 半充滿->穩定狀態第十九頁，共30頁。3.3碳的電子構造碳的電子軌道第二十頁，共30頁。3.3碳的電子構造SP3軌道雜化金剛石正四面體空間雜化方式3個P軌道和1個S軌道第二十一頁，共30頁。3.3碳的電子構造碳原子的雜化軌道及其鍵合狀況第二十二頁，共30頁。183.4碳的單質 sp3家族〔金剛石家族〕 金剛石 立方金剛石 六方金剛石 類金剛石立方金剛石 類金剛石第二十三頁，共30頁。3.3碳的電子構造?金剛石中所有的鍵均為

Sigma鍵

?石墨中除了Sigma鍵 之外，還有一個離域 大Pi ?共有電子導電性第二十四頁，共30頁。3.3碳的電子構造SP2軌道雜化石墨平面空間雜化方式2個P軌道和1個S軌道第二十五頁，共30頁。3.3碳的電子構造—Sigma鍵與Pi鍵軌道重疊成鍵的方式: Sigma“頭碰頭〞Pi“肩并肩〞第二十六頁，共30頁。3.4碳的單質 sp2家族〔石墨家族〕 石墨 六方晶系石墨