碳纳米材料的特性及应用课件.ppt

第二讲 碳纳米材料的特性及其应用 2.1 碳纳米材料发展简史 2.2 碳纳米材料的分类 2.3 富勒烯 2.4 碳纳米管的制备 2.5 碳纳米管的物理化学性质 2.6 碳纳米管的应用 碳家族 2.1碳纳米材料发展简史 1985年 发现了巴基球(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0.7-30?nm，叫Carbon?nanotubes，(CNTs）； 1992年 瑞士洛桑联邦综合工科大学的D.Ugarte等发现了巴基葱(Carbon nanoonion)； 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Ф=0.33nm的碳纳米管,但稳定性较差; 2002年4月5日， 美国纽约州的伦斯勒工业大学（RPI Rensselar?Polytechnic Institute）材料科学工学专业教授P.M.?Ajayan的研究小组报道制备出了“雏菊” 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Ф= 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C50Cl10(厦门大学)； 2.2 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：巴基球（C50 、 C60 、C70、C76、C80、C82、C84、C90、C94等）、巴基管（单壁和多壁碳纳米管）和巴基葱 纳米金刚石 2.3 富勒烯 狮子 2.3.1 C60的发现及命名 1985年11月14日，Kroto，Curl和Smalley等人，《自然》杂志，正式宣布C60的发现及结构模型；1996年，获得诺贝尔化学奖。 C60分子中每一个C原子与周围三个C原子形成3个σ键，剩余的轨道和电子共同组成离域π键，可简单地将其表示为每个碳原子与周围3个碳原子形成2个单键和1个双键。C60的结构参数为C—C—C，键角平均为116o，杂化轨道类型为SP2.28，六边形键长为0.1388nm，五边形键长为0.1432nm，晶体型式为面心立方的分子晶体。 1967年加拿大蒙特利尔万国博览会，美国展览馆是由五边形和六边形组成拼接构成的圆顶建筑-----启发，提出了C60的分子结构。因此，他们决定以该展览馆建筑师的名字Buckminster Fuller命名，定为“Buckmister fullerene”, 词尾ene为英文“烯烃”的后缀，表示C60的不饱和性，简称“Fullerene”或“Buckyball”亦称footballene 2.3.2 C60的合成方法 电弧放电法 1990年, Kraschmer和Huffman等人 苯火焰燃烧法 1991年7月,麻省理工学院教授Jack Howard及其实验伙伴，从1000g纯碳中得到3g富勒烯。 高频加热蒸发石墨法 1992年，Peter和Jansen等人,2700℃，150KPa ,氮气氛中 2.3.3 C60的物理化学性质 （1）物理性质 黑色粉末，密度1.65g/cm3±0.05g/cm3，熔点700℃，易溶于CS2、甲苯等，在脂肪烃中溶解度随溶剂碳原子数的增加而增大。能在不裂解情况下升华。生成热为ΔH°f (C)=2280KJ/mol，电离势为2.61ev±0.02ev，电子亲合势2.6ev～2.8ev，可压缩率为7.0×10-12cm3/dyn，抗冲击能力强。具有非线性光学性能，室温下是分子晶体，适当的金属掺杂后的C60表现出良好的导电性和超导性。 （2）化学性质 芳香性，倾向于得到电子，易于与亲核试剂反应。多种C60衍生物，其中金属包含于C60笼内部：M@C60；金属和C60在球外表起反应：MC60。 C60和金属的反应 C60的氧化还原反应 C60与自由基反应 C60的加成反应 C60聚合反应 2.3.4 应用与展望 C60的研究已涉及到有机化学、无机化学、生命科学、材料科学、高分子科学、催化化学、电化学、超导体与铁磁体等众多学科和应用研究领域，并越来越显示出巨大的潜力和重要的研究及应用价值。 碳60超导体 C60作成的分子算盘 1996年11月，IBM公司在瑞士苏黎士研究室工作