文档介绍：碳纳米材料及其应用
碳纳米材料及其应用
关于纳米材料
几种碳纳米材料的研究及应用
石墨烯
富勒烯(以C60为例)
碳纳米管
纳米材料
纳米材料
纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺寸(-100 nm)或由它们作为基本单元构成的材料
由于纳米尺寸的物质具有与宏观物质所迥异的表面效应、小尺寸效应、宏观量子隧道效应和量子限域效应,因而纳米材料具有异于普通材料的光、电、磁、热、力学、机械等性能。纳米材料的性能往往由量子力学决定。
应用领域:
1、天然纳米材料:生物学家在研究鸽子、海豚、蝴蝶、蜜蜂等生物为什么从来不会迷失方向时,也发现这些生物体内同样存在着纳米材料为它们导航。
2、纳米磁性材料:纳米粒子尺寸小,具有单磁畴结构和矫顽力很高的特性,用它制成的磁记录材料不仅音质、图像和信噪比好,而且记录密度比γ-Fe2O3高几十倍。
3、纳米陶瓷材料:纳米陶瓷的晶粒尺寸小,晶粒容易在其他晶粒上运动,因此,纳米陶瓷材料具有极高的强度和高韧性以及良好的延展性,这些特性使纳米陶瓷材料可在常温或次高温下进行冷加工。
4、纳米传感器:纳米二氧化锆、氧化镍、二氧化钛等陶瓷对温度变化、红外线以及汽车尾气都十分敏感。因此,可以用它们制作温度传感器、红外线检测仪和汽车尾气检测仪,检测灵敏度比普通的同类陶瓷传感器高得多。
5、纳米催化材料:纳米粒子是一种极好的催化剂,这是由于纳米粒子尺寸小、表面的体积分数较大、表面的化学键状态和电子态与颗粒内部不同、表面原子配位不全,导致表面的活性位置增加,使它具备了作为催化剂的基本条件。
石墨烯
石墨烯是一种平面单层紧密打包成一个二维(2D)蜂窝晶格的碳原子,并且是所有其他维度的石墨材料的基本构建模块。它可以被包装成零维(0D)的富勒烯,卷成了一维(1D)的纳米管或堆叠成三维(3D)的石墨[7]。石墨烯由碳原子形成的原子尺寸蜂巢晶格结构如图4-1所示。
石墨烯的结构非常稳定,Å。石墨烯内部的碳原子之间的连接很柔韧,当施加外力于石墨烯时,碳原子面会弯曲变形,使得碳原子不必重新排列来适应外力,从而保持结构稳定。这种稳定的晶格结构使石墨烯具有优秀的导热性。另外,石墨烯中的电子在轨道中移动时,不会因晶格缺陷或引入外来原子而发生散射。
极强的导电性、导热性和机械性能(其强度是普通钢铁的200倍)
几种制备方法
优点:制备成本非常低(几乎可忽略),易于学习,且此法得到的石墨烯质量非常好好,缺陷少,性能优异 缺点:得到的石墨烯尺寸很小,一般在10-100um之间,而且完全不可能大规模制备
优点:方法较简单,原料成本不高,基本没有设备成本,且易于规模制备 缺点:此法得到的石墨烯缺陷非常多,电学、力学性能都较差
,化学气相沉积法 优点:单次生长尺寸可以很大(将近20寸),有可能规模化生产,且生长得到的石墨烯性能很好缺陷少 缺点:转移是难题,而且生长出来的一般都是多晶
应用及发展前景
1、制造下一代超级计算机。石墨烯是目前已知导电性能最好的材料,这种特性尤其适合于高频电路,石墨烯将是硅的替代品,可用来生产未来的超级计算机,使电脑运行速度更快、能耗降低。
2、可作为液晶显示材料。石墨烯是一种“透明”的导体,可以用来替代现在的液晶显示材料,用于生产下一代电脑、电视、手机的显示屏。
3、制造晶体管集成电路。石墨烯可取代硅成为下一代超高频率晶体管的基础材料,而广泛应用于高性能集成电路和新型纳米电子器件中。
4、制造医用消毒品和食品包装。中国科研人员发现细菌的细胞在石墨烯上无法生长,而人类细胞却不会受损。利用石墨烯的这一特性可以制作绷带,食品包装,也可生产抗菌服装、床上用品等。
以C60为代表的富勒烯
富勒烯(Fullerene)是一种完全由碳组成的中空分子,形状呈球型、椭球型、柱型或管状。富勒烯在结构上与石墨很相似,石墨是由六元环组成的石墨烯层堆积而成,而富勒烯不仅含有六元环还有五元环,偶尔还有七元环。
巴克明斯特富勒烯(英语:Buckminsterfullerene),分子式C60,是富勒烯家族的一种,球状分子,是最容易得到、最容易提纯和最廉价的一种,因此C60及其衍生物是被研究和应用最多的富勒烯。
通过质谱分析、X射线分析后证明,C60的分子结构为球形32面体,它是由60个碳原子通过20个六元环和12个五元环连接而成的具有30个碳碳双键的足球状空心对称分子,所以,富勒烯也被称为足球烯。