1、碳的基础知识碳的基础知识1金刚石与石墨金刚石与石墨23新型碳材料新型碳材料4Contents其他传统炭素材料其他传统炭素材料v汉字“碳”由木炭的“炭”加石字旁构成，从“炭”字音。碳是人类接触到的最早的元素之一，也是人类利用得最早的元素之一。尧舜时代，炭黑作为涂料；商朝时，广泛用木炭来冶炼金属，在冶炼中木炭充当燃料、还原剂。v碳元素是一种平凡而神奇的元素，以多种形式广泛存在于大气和地壳中，在地壳中的含量为0.027%，能形成多种单质和千万种化合物。碳地球上一切生物有机体的骨架元素。v碳12是国际单位制中定义摩尔的尺度，以12g碳12中含有的原子数为1 mol。碳14由于具有较长的半衰期，被广泛用
2、來测定古物的年代。一、碳的基础知识一、碳的基础知识 佛罗伦萨科学院大事记：1649年金刚石消失之谜年金刚石消失之谜1772年，拉瓦锡做了燃烧金刚石和木炭的实验 后，确定两种物质燃烧都产生CO2，因而金刚石和木炭具有相同的成分。 1776年（1787），拉瓦锡借鉴拉丁语的木炭“carbo”，将碳的英文名定为“Carbon”。并于1789年，碳作为元素被列入第一张元素表中。I I 栏栏：简单物质简单物质 光、热质、氧、氮、氢II II 栏栏：非金属简单物质非金属简单物质 硫、磷、碳、盐酸基、氟酸基、硼酸基IIIIII栏栏：金属简单物质金属简单物质 锑、银、砷、铋、钴、铜、锡、铁、锰、汞、钼、镍、金
3、、铂、铅、钨、锌IV IV 栏栏：土类简单物质土类简单物质 石灰、镁土、钡土、铝土、硅土一、碳的基础知识关于“碳材料”与“炭素材料”“炭”与“碳”二字有联系又有区别:碳碳：指碳元素、碳单质总体、含碳化合物及其众多的衍生物时用“碳”如碳水化合物、碳酸盐、碳氢化合物。炭炭：指由碳元素形成的单质，指的是具体物质。C/H比在10以上，主要由碳元素组成、多数为固体材料，如煤炭、焦炭、炭黑、活性炭、炭电极、炭块、炭纤维等。“炭素材料”与“炭素制品”的区别与联系炭素材料是个总称，包括炭素原料和炭素制品，如炭素工业使用的石油焦、无烟煤、天然石墨属炭素原料；炭素原料经加工制成具有一定形状及物化性质的产品称炭素制
4、品(如炭质电极、石墨电极、炭纤维)。一、碳的基础知识碳材料：碳材料：结构多样性结构多样性功能多样性功能多样性传统碳材料（Classic carbons）木炭、竹炭（Charcoals）活性炭（Activated carbons）炭黑（Carbon blacks）焦炭（Coke）天然石墨（Natural graphite）天然金刚石（Natural diamond）新型碳材料（New carbons）金刚石功能材料（薄膜、纳米）石墨层间化合物炭纤维（Carbons fibers）多孔炭（Porous carbons）玻璃炭（Glass-like carbons）柔性石墨（Flexible gra
5、phite ）核石墨（Nuclear graphite ）Fullerene、CNTS、 Graphene碳材料的分类二、金刚石与石墨天然金刚石天然金刚石钻石钻石研磨研磨二、金刚石与石墨石墨可分为天然石墨和人造石墨，如等静压石墨、模压石墨、挤压石墨（作电极材料）。1）作耐火材料，如石墨坩埚、石墨模具;2）作导电材料：在电气工业上用作制造电极、电刷、碳棒、碳管、石墨垫圈，电视机显像管的涂层等;3）用于原子能工业和国防工业：作为中子减速剂用于原子反应堆;4）作铸造、翻砂、压模及高温冶金材料;5）石墨可作铅笔芯、颜料、抛光剂;6）作耐磨润滑材料，耐烧蚀材料。利用了石墨具有利用了石墨具有导电性、润滑性
6、导电性、润滑性和和熔点高熔点高二、金刚石与石墨u金刚石合成已有40多年的历史。其合成方法大致可分为两类：石墨转化法（静态超高压高温法+动态法）和气相合成法u1954 年人造金刚石在美国通用电气公司的诞生，揭开了人工合成金刚石发展的序幕，它是静态高压高温技术发展的重大成果。u化学气相沉积(CVD)金刚石膜的问世是人工合成金刚石技术发展的第二次大飞跃。20世纪50年代和60年代，美国、苏联等国先后在低压下实现了金刚石多晶膜的化学气相沉积。1987年“金刚石薄膜”的合成在世界上兴起，但合成方法归纳起来主要有CVD 和 PVD两类。二、金刚石与石墨钻头钻头p金刚石主要用于精密机械制造、电子工业、光学工
7、业、半导体工业及化学工业。如固定激光器件的散热片、红外激光器的窗口材料，各种钻头、磨料等。p天然金刚石稀少，只限于用作装饰品，工业应用以人工合成金刚石为主。p近年来，金刚石功能化薄膜、微晶金刚石、纳米金刚石拓宽了传统意义上的金刚石的应用领域。三、其他传统炭素材料炭黑炭黑p以石墨微晶为基础构成的，其共同点是：由石墨的微小晶体和少量杂质构成的混合物。不同的炭素材料中，微晶的尺寸和微晶的三维排列的有序程度有相当大的差别。p炭纤维、多孔碳材料，功能化金刚石薄膜、玻璃炭等。我国古代字画为什么能够保存在现在？-常常温温下，下，碳碳的化的化学学性性质质很很稳稳定，定，碳碳受日光照射或受日光照射或与与空空气气
8、、水分接水分接触触，都不容易起，都不容易起变变化。化。四、新型碳材料CNT：1991年日本筑波NEC实验室SumioIijim用HRTEM观察电弧放电后的石墨棒时发现。Graphene：2004年，物理学教授安德烈海姆(Andre Geim)和康斯坦丁 诺沃肖洛夫（Kostya Novoselov）博士用一种简单易行的胶带分离法从HOPG中成功制备出了石墨烯。完整的碳系家族完整的碳系家族Diamond：印度金刚石开采的可考历史大约是16381668 年；Graphite：1779年人们才知道石墨是碳元素的一种物质形式；Fullerene：1985年发现，第三种碳元素的晶体形态（20个六边形+1
9、2个五边形）2010获奖获奖四、新型碳材料C60的发现的发现v1985年，英国Sussex大学的H.W.Kroto和美国Rice大学的Smalley及Curl等人发表文章，宣布笼形分子C60的发现（一种由60个碳原子组成的稳定原子簇）。此后又发现了C50、C70、C240乃至C540等，它们都具有空心的球形结构，属于笼形碳原子簇分子。由于C60的结构类似建筑师Buckminster Fuller设计的圆顶建筑，因而称为富勒烯(Fullerence)。从化学和材料科学的角度来看，富勒烯具有重要的学术意义和应用前景。美美国国建筑建筑师师富勒的富勒的设计设计之一之一 C60是是20世纪的重大科学发现
10、之一，极大地拓展了人类对碳材料的认识！世纪的重大科学发现之一，极大地拓展了人类对碳材料的认识！四、新型碳材料C60的发现的发现 C60的主要合成法：石墨气化法（激光、电弧）、纯碳燃烧法应用前景：应用前景：超导材料：金属掺杂（K, Rb)的C60插层合物（18K，29K）最早令人关注的。（室温下富勒烯是分子晶体，C60的能隙为1.5eV（半导体）。但经过适当的金属掺杂后能变成超导体。 ）磁性材料： Dy组装在C80的笼内；太阳能电池材料：PCBM， C60的有机衍生物，由于它的很好的溶解性，很高的电子迁移率等常用于有机太阳能电池的电子受体标准物 ； 催化剂材料：有机官能团改性，此外还有医学、光学
11、领域。富勒烯的合成成本很高，其潜在的应用还在不断的探索中！四、新型碳材料Carbon Nanotubes的发现的发现Nature 354, 56 - 58 (1991) MWNTSWNT四、新型碳材料Carbon Nanotubes的发现的发现碳纳米管的大量制备：碳纳米管的大量制备：电弧放电法（已用于工业化生产）、激光蒸发法、CVD法、高温分解C-H化合物法。qArc Discharge Methods:电弧室充惰性气体保护，两石墨棒电极靠近，拉起电弧，再拉开，以保持电弧稳定。放电过程中阳极温度相对阴极较高，所以阳极石墨棒不断被消耗，同时在石墨阴极上沉积出含有碳纳米管的产物。q电弧法多采用直流
12、电弧，电弧放电条件一般为：电极电压2030V；电流50150A；气体压力1080kPa。Materials Today, Oct 2004, pages 22-49.四、新型碳材料p纳米碳管储氢 原理：吸附氢气的吸附和脱附可在常温进行，只要改变压力即可；储氢量大，纯净单壁碳纳米管达5.010%(一般7.4%)，符合美国能源部的标准（6.4%质量分数）p纳米碳管在化学传感器中的应用 由于碳纳米管暴露在NO2和NH3时，电导发生明显的增加或减小，奠定了在气体化学传感器应用的基础。Kong. J等人测定了SWNT在NO2 和NH3通过时，碳纳米管电导随电压的变化情况。Science，2000, 28
13、7：622-625 电导 NO2 3个数量级；电导 NH3 2个数量级应用：环境中NO2 和NH3的监测。 IBM 研制的碳纳米管芯片 (2012.11)右图中非常黯淡的黑线是跨越两个电触点间隙的碳纳米管。 IBM的技术可以在每一个沟槽中放置一根碳纳米管。http:/ Materials 6, 183 - 191 (2007)Graphene石墨烯是由碳原子以sp2杂化连接的单原子层构成的，其理论厚度仅为0.35 nm，是目前所发现的最薄的二维材料，石墨烯是构建其它维数碳材料（如零维富勒烯、一维CNTs、三维石墨）的基本单元。Graphene can be 0D: fullerenes (wr
14、apped up)1D: nanotubes (rolled into)3D: graphite (stacked into)四、新型碳材料微机械剥离法微机械剥离法碳纳米管横向切割法碳纳米管横向切割法微波法微波法电弧放电法电弧放电法光照还原法光照还原法石墨氧化还原法石墨氧化还原法电化学还原法电化学还原法热膨胀法热膨胀法液相液相/气相剥离石墨法气相剥离石墨法碳化硅裂解法碳化硅裂解法外延生长法外延生长法化学气相沉积法化学气相沉积法石石墨墨烯烯的的制制备备方方法法 大面积石墨烯薄膜的制备大面积石墨烯薄膜的制备四、新型碳材料SiO2SiHOPG透明胶带透明胶带高定向裂解石墨高定向裂解石墨v 力学性能：
15、断裂强度可达13010GPa，弹性模量达10.1TPav 电学性能：电子的传输速度为光子的1/300，室温下较高的电子迁 移率(15000cm2/(VS ) v 石墨烯是能隙为零的二维半导体，是凝聚态物理学中描述无质量的狄拉克费米子一个理想实物模型材料v 载流子作有效质量为零的运动，电子没有质量v 室温量子霍尔效应 载流子弹道运输 比金刚石更大的硬度v 光学性能：对近红外、可见光及紫外光均具有优异的透过性，可吸收大约2.3%的可见光 。四、新型碳材料超超级计级计算机芯片算机芯片-目前世上目前世上电电阻率阻率最小的材料，最小的材料，电电阻率阻率仅为仅为10-6 cm在室在室温温下硅基下硅基处处理
16、器的理器的运运行速度行速度达达到到4-5GHz 后就很后就很难难在在继续继续提高。提高。 替代硅生产超级计算机、光子传感器、液晶显示材料、新一代太阳能电池p石墨烯作为硅的替代品材料来制作晶体管器件是让科学家们颇为期待的重要一项应用，也是最受关注的领域之一。p石墨烯拥有比硅更高的载流子石墨烯拥有比硅更高的载流子迁移率，而且电子在石墨烯中运迁移率，而且电子在石墨烯中运动会产生很少的热量，使用石墨动会产生很少的热量，使用石墨烯作为基质生产的处理器能够达烯作为基质生产的处理器能够达到到1THz1THz即即1000GHz1000GHz） 。石墨烯可制成能够折叠的显示器p目前用于制作太阳能电池窗口电极、显
17、示器和触摸屏等器件的材料是铟锡氧化物半导体透明薄膜（ITO），但铟在地球上含量有限；同时ITO材料在近红外光区的透光性比较差，不利于制造柔性器件。p石墨烯不仅具有非常高的导电性，而且拥有更高的强度和更好的韧性，能够制成可以弯曲折叠的显示，被认为是替代ITO的合适材料。未来石墨烯将制成可折叠的显示器未来石墨烯将制成可折叠的显示器四、新型碳材料从左到右：在石墨烯上印好的银电极把材料分成大小为3.1英寸的区域； 组装好的石墨烯触摸屏面板； 接到电脑上使用的石墨烯触摸屏四、新型碳材料v 气体分子传感器气体分子传感器v 储能材料储能材料v 药物控制释放药物控制释放v 离子筛离子筛v 作为电极材料作为电极
18、材料v 复合材料复合材料四、新型碳材料谢谢大家！谢谢大家！请老师和各位同学指正！请老师和各位同学指正！其他应用l超级电容器l药物控制释放l计算机芯片l作为电极材料1717世纪世纪4040年代，阳光明媚的夏日，意大利佛年代，阳光明媚的夏日，意大利佛罗伦萨科学院，几位院士围坐在花园中的一个罗伦萨科学院，几位院士围坐在花园中的一个石桌旁，用放大镜观察、研究一小颗珍贵的金石桌旁，用放大镜观察、研究一小颗珍贵的金刚石。当金刚石所处的位置与凸透镜的焦点吻刚石。当金刚石所处的位置与凸透镜的焦点吻合时，金刚石折射出耀眼的强光，院士们纷纷合时，金刚石折射出耀眼的强光，院士们纷纷调头躲避。当他们回过头时，却意外地
19、发现闪调头躲避。当他们回过头时，却意外地发现闪闪发光的金刚石不见了。人们寻遍了周围的草闪发光的金刚石不见了。人们寻遍了周围的草坪，一无所获。金刚石不翼而飞，成了一宗离坪，一无所获。金刚石不翼而飞，成了一宗离奇的失踪案，载入了佛罗伦萨科学院的大事记。奇的失踪案，载入了佛罗伦萨科学院的大事记。想一想：金刚石为什么会不翼而飞？想一想：金刚石为什么会不翼而飞？金刚石失踪案 1772 1772年年2 2月，法国著名化学家拉瓦锡了解到月，法国著名化学家拉瓦锡了解到这个悬案，决定运用化学方法捉拿这个悬案，决定运用化学方法捉拿“真凶真凶”，但功败垂成。直到但功败垂成。直到17971797年，英国化学家钱南，年
20、，英国化学家钱南，才捉到才捉到“真凶真凶”。他。他将金刚石放进充满氧气将金刚石放进充满氧气的密闭容器中燃烧，反应结束后，测定密闭的密闭容器中燃烧，反应结束后，测定密闭容器中的气体成分竟然是常见的二氧化碳。容器中的气体成分竟然是常见的二氧化碳。为了缉拿为了缉拿“真凶真凶”，钱南进一步测出，钱南进一步测出，密闭密闭容器中的二氧化碳中碳元素的质量等于金刚容器中的二氧化碳中碳元素的质量等于金刚石的质量。石的质量。百年悬案的百年悬案的“真凶真凶”，终于捉到，终于捉到了。令人震惊的是，凶手竟然是与我们朝夕了。令人震惊的是，凶手竟然是与我们朝夕相处的氧气；更令人难以置信的是，价值连相处的氧气；更令人难以置信的是，价值连城的金刚石竟然是石墨的城的金刚石竟然是石墨的“同胞兄弟同胞兄弟”。
