碳材料家族的“八大成員”

碳是自然界中最常見的元素之一,而碳材料幾乎包括了地球上所有物質所具有的性質,如最硬-最軟、絕緣體-半導體-超導體、絕熱-超導熱、吸光-全透光等,21世紀被稱為是“超碳時代”,下面讓我們來看看碳材料家族都有哪些重要成員。

1985年英國化學家哈羅德·沃特爾·克羅托博士和美國科學家理查德·斯莫利在萊斯大學制備出富勒烯。富勒烯的發現,打破了人們對于碳的同素異形體只有石墨、鉆石、無定形碳(如炭黑和炭)的認識。為人們開辟了一個嶄新的研究領域,而其奇異的空心球結構,開拓了碳原子新的時代!富勒烯及其衍生物具有許多優異的性能,具有超導,半導體,強磁性等,在光、電、磁等領域有潛在的應用前景。
1991年,碳納米管被發現,碳納米管是由石墨中的碳原子層卷曲而成的管狀的材料,管的直徑一般為幾納米到幾十納米,管的厚度僅為幾納米。
2008年,碳納米管獲得Kavli納米科學獎,被學術界譽為納米科技界的諾貝爾獎。碳納米管作為一維納米材料,重量輕,六邊形結構連接完美,具有許多異常的力學、電學和化學性能。由于其獨有的結構和奇特的物理、化學特性以及潛在的應用前景而吸引了物理、化學、材料、電子等領域專家的極大關注,在全世界掀起了一股碳納米管的熱潮,被稱為是21世紀最有前途的一維納米材料。
2004年,英國兩位科學安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛通過機械剝離用透明膠帶對天然石墨進行層層剝離意外得到了石墨烯,一種由碳原子以sp²雜化軌道組成六角型呈蜂巢晶格的二維碳納米材料。
2010年,英國曼徹斯特大學的安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫由于在二維碳材料石墨烯方面開創性的研究被授予了諾貝爾物理獎。石墨烯具有優異的光學、電學、力學特性,在材料學、微納加工、能源、生物醫學和藥物傳遞等方面具有重要的應用前景,被認為是一種未來革命性的材料。
2010年,就在為石墨烯獲得諾貝爾物理學獎歡呼雀躍之時,中科院化學所有機固體院重點實驗室李玉良團隊利用六炔基苯在銅片的催化作用下發生偶聯反應,成功地在銅片表面上通過化學方法合成了大面積大面積石墨炔薄膜,碳的新的同素異形體——石墨炔。

一、富勒烯

以C60為代表的富勒烯是空心球形構型,C60是由12個正五邊形和20個正六邊形組成的三十二面,像一個足球。

應用領域:

從富勒烯被發現并且大量生產后,其在科學領域的應用越來越多。它是碳的第三種同素異形體,與金剛石或石墨不同,僅由排列為中空封閉籠形的碳原子組成。特殊結構形成了其獨特的理化性質,具有密度小、易升華、不導電,比金剛石活潑,以及高度對稱性等特點,對化學、物理、材料科學、生物、藥物活性等都產生了深遠的影響。

最新動態:日前,中科大選取反應活性非常高的C60材料為前驅體,用KOH在500-700攝氏度,氨氣氣氛下進行處理后,獲得了主要由SP2共價鍵構成的N摻雜多孔碳材料,該材料的N含量為7.8wt%,在100mA/g的電流密度下,該材料的可逆比容量達到1900mAh/g,在5A/g的高電流密度下,比容量達到600mAh/g,在5A/g的電流密度下,循環2000次,平均的容量衰降速度僅為0.03%/次。

二、碳纖維

碳纖維是含碳量高于90%的無機高分子纖維,其中含碳量高于99%的稱為石墨纖維,碳纖維具有密度小、質量輕、強度(比鋼大4-5倍)、彈性模量高等特性。碳纖維的微觀結構類似人造石墨,是亂層石墨結構,在沿纖維軸方向表現出很高的強度。

應用領域:

目前已商品化的碳纖維(CF)產品最高強度為7 GPa,中國剛突破的研發水平為6.3Gpa;最新研發成功的超碳纖維(UCF)是日本東麗TORAYCA的T2000,強度高達60GPa,相當于碳纖維理論值(180GPa)的1/3。

三、碳納米管

碳納米管是一種具有特殊結構(徑向尺寸為納米級,軸向尺寸為微米級,管子兩端基上都封口)的一維量子材料,可看作是由片層結構的石墨卷成的無縫中空的納米級同軸圓柱體,兩端由富勒烯半球封成,碳納米管被稱為是21世紀最有前途的一維納米材料。

應用領域:

2017年1月20日,美國雜志刊登了北大彭練矛等人在碳納米管電子學領域取得的世界級突破:首次制備出5納米柵長高性能碳納米管晶體管,并證明其性能超越同等尺寸硅基CMOS場效應晶體管,將晶體管性能推至理論極致。

四、石墨/石墨烯

石墨具有層狀晶體結構,在晶體中碳原子之間以σ鍵連接在一起,在同一層上還有一個大π鍵。一個碳原子周圍只有3個碳原子與其相連,碳與碳組成了六邊形的形狀,無限多的六邊形組成了一層。層與層之間聯系力非常弱,而層內3個碳原子聯系很牢固。

石墨是由一層層以蜂窩狀有序排列的平面碳原子堆疊而形成的,當把石墨片剝成單層之后,這種只有一個碳原子厚度的單層就是石墨烯。

應用領域:

2017年2月21日,北京碳世紀科技有限公司發布中國首款石墨烯鋰離子五號充電電池。與普通5號干電池、充電電池相比,該款電池優勢明顯,可循環使用3萬次以上,能夠在-45℃~60℃的環境下使用,這些性能都是普通電池所不能及的。最為重要的是,該款電池能夠實現量產,產品發布也代表了正式投入市場。

五、金剛石

金剛石是最為堅硬的一種碳結構,碳原子以晶體結構的形式排列,每一個碳原子與另外4個碳原子緊密鍵合,最終形成了一種硬度大、活性差的固體。

世界上最大的金剛石-庫里南鉆石

應用領域:

歐盟科技人員利用納米金剛石表面致密,沒有任何物質能通過其表面擴散的特性,將其作為植入體與人體神經組織之間的介質材料,有望在人工視網膜植入和磁共振成像(MRI)領域取得重要突破。

6、碳氣凝膠

碳氣凝膠是一種具有三維納米網絡結構的輕質多孔碳材料,具有比表面積高、密度低、孔隙率高、孔徑分布可調和導電性良好等特性。

應用領域:

2016年1月6日,國家發改委將氣凝膠材料列入國家重點節能低碳技術推廣目錄。

2016年12月5日,東華大學俞建勇等人在超輕生物質衍生碳基納米纖維氣凝膠研究上取得了突破性進展。利用納米纖維“三維網絡重構”新方法將靜電紡納米纖維和新型生物質碳源構建為超輕質、超彈性碳基納米纖維氣凝膠,該氣凝膠具有類蜂巢網孔結構,且其固態材料密度僅為0.14mg/cm3。

七、碳納米蔥包覆金屬顆粒

碳納米蔥包覆金屬顆粒是一種新型的碳/金屬納米復合材料,其中數層石墨片層緊密圍繞納米金屬顆粒有序排列,形成類洋蔥結構,納米金屬離子則處于洋蔥的核心。

理想化的石墨片層包裹金屬顆粒的模型圖

應用領域:

八、石墨炔

石墨炔(Graphdiyne),是繼富勒烯、碳納米管、石墨烯之后,一種新的全碳納米結構材料,具有豐富的碳化學鍵、大的共軛體系、寬面間距、優良的化學穩定性,被譽為是最穩定的一種人工合成的二炔碳的同素異形體。2010年,中科院化學所有機固體院重點實驗室科研人員在首次通過六乙炔基苯前體的交叉偶聯反應,成功地在Cu箔表面合成了高質量的石墨炔薄膜。所制備的石墨炔具有與硅類似的優異半導體特性,石墨炔被認為是堪比石墨烯的“超級材料”,它的加入能改善很多材料的性能。

石墨炔擁有眾多超越石墨烯的性能,與石墨烯不同,石墨炔斷裂應變和應力強烈依賴于所施加應變的方向,范圍為48.2至107.5GPa,最終應變為8.2%-13.2%。盡管石墨炔的密度僅為石墨烯的一半,但片間粘附力和面外彎曲剛度與石墨烯相當。Cranford等人對其機械性能定量測量發現模量為470至580GPa,極限強度為36至46GPa(取決于方向)。與石墨烯(零帶隙)不同,石墨炔具有自然帶隙(固有的半導體特性),并且同時具有高導電性。

應用領域:

石墨炔的優勢非常明顯,應用也很廣泛。貴金屬催化劑(如Pt,Ir,Pd)被認為是最先進的電催化劑,它們的高成本,稀缺性,穩定性差。雖然碳材料的結構由于其可調節的分子結構,但低電導率和有限暴露的活性位點在催化上顯得并不是很理想。石墨炔上的一些碳原子具有凈正電荷,這些帶正電荷的位點可以改善石墨炔與氣體之間的相互作用并促進電催化過程。此外,由于石墨炔中苯環之間的額外炔烴單元,網絡的孔徑增加至約2.5埃,這有利于當暴露于大氣時空氣吸附到孔隙中。近年研究的熱電鋰電池也被加入石墨做成了商業化負極,但是372 mA h/g的低儲存容量是一大限制。理論結果表明,石墨炔(GDY)的實際比容量/體積容量(α-GDY為2719mA h/g,γ-GDY為744 mA h/g)。GDY單分子層中Li的能量學和動力學證明GDY能夠在具有中等勢壘(0.35-0.52eV)的Li離子的面內和面外擴散,這表明GDY可以作為優異的鋰離子電池負極。此外,石墨炔在光電探測器、超級電容器、太陽能電池、光催化水分解等方面也有著很多優異的性能。


文章來源:中國腐蝕與防護網

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