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碳纳米材料简介 第一章 碳纳米材料简介 碳元素 碳在元素周期表中排第六位，是自然界分布非常广泛的元素，也是目前最 重要、最使人着迷的元素之一。尽管它在地壳中含量仅为 0.027%，但是对一切 生物体而言，它是最重要且含量最多的元素，人体中碳元素约占总质量的 18%。 碳元素是元素周期表中 Ⅳ A 族中最轻的元素。它存在三种同位素： 12C、 13C、 14C。 碳单质有多重同素异形体，他是迄今为止人类发现的唯一一种可以从零围 到三维都稳定存在的物质。如零维的富勒烯（ fullerenes ），一维的碳纳米管 carbon nanotubes ），二维的石墨烯（ graphene ），三维的金刚石（ diamond）和石墨（ graphite ）等。 碳纳米材料 富勒烯 富勒烯是指完全由碳原子组成的具有空心球状或管状结构的分子。 1985 年， Kroto ，Smalley 和 Curl 在美国莱斯大学发现了第一个富勒烯分子—— C60。这一发现使得他们赢得了 1996 年的诺贝尔化学奖。 C60 由 60 个原子组成，包含 20 个六元环和 12 个五元环。这些环平面堆积在一起的方式和足球的表面结构一样， 因此也也被称为足球烯。从那以后，不同分子质量和尺寸的富勒烯纷纷被制备出来。 C60 的发现和研究开启了对碳元素和碳纳米材料广泛、深入研究的新时代，对纳米材料科学和技术的发展起到了极大的推动作用。 由于其独特的结构，富勒烯同时具有芳香化合物和缺电子烯烃的性质，表现出很多优良的物理和化学性质（表 1-1 ） 表 1-1 C 60 的一些基本物理和化学性质 形态 密度 电阻率 相 变 温 溶 解 化学特性 范 德 毒性 度 性 华 直 径 黑色 800℃ 固体 1.65g/cm 3 4.5*10 3 升华 Ω· cm  可 溶 具 有 芳 香 于 常 性、多烯特 见 有 性及优良的 机 溶 电化学特性 1.1nm 无毒 剂 碳纳米管 碳纳米管（ carbon nanotubes ）是由碳原子形成的管状结构分子，包括单 壁碳纳 米管（ single-walled carbon nanotubes,SWNTs）和 多壁 碳纳 米管 multi-walled carbon nanotubes ，MWNTs）。其直径从几百皮米到几十纳米，而长径比可以上万。碳纳米管是前最重要的一维纳米材料之一。 虽然对碳纳米管发现的确切时间存在争议，但公认碳纳米管从 1991 年才引起了科学界的广泛兴趣。 1991 年日本的 Iijima 在研究富勒烯的制备过程中由于电弧产物中发现了多壁碳纳米管， 并利用透射电镜证实了它的存在。 随后在 1993 年，他又发现了单壁碳纳米管，与此同时， Bethune 等也独立观察到了单壁碳纳米管。 单壁碳纳米管可看成是由一层石墨烯沿一定角度卷曲而成的管状结构（图 1-1 ）。根据卷曲角度的不同，可以形成具有不同手性和直径的碳纳米管，因此 常用两个整数（ n,m）表征单壁碳纳米管的结构。当 m=0时，该类单壁碳纳米管被称为锯齿形（ zigzag ）单壁碳纳米管；当 n=m 时，该类单壁碳纳米管被称为 扶手椅形（ armchair ）单壁碳纳米管；其他的均被称为手性（ chiral ）碳纳米管。单壁碳纳米管的直径可以通过两个指数算出来。 图 1-1 单壁碳纳米管结构示意图 由于其特殊的结构，碳纳米管具有许多优良的性质。从电学性质来看，碳纳米 管可分为金属型（ metallic ，带隙为零）和半导体型（ semiconducting ，带隙可达 2eV）。单壁碳纳米管的一些重要性质如表 1-2 。 表 1-2 单壁碳纳米管的一些重要性质 形态 密度 溶解性 拉升强 杨 氏 迁移率 热导率 度 模量 黑 色 0.8-2.0 常 见 溶 100GPa 1TPa 2 · s) 3500W/(m·K) 100000cm/(V 固体 3 剂 中 完 g/cm 全不溶 石墨烯 石墨烯是碳的二维同素异形体，虽然它在理论上很早就被关注，也很早被 制备出来，但真正的广泛研究却始于 2004 年。曼彻斯特大学的 Geim和 Novoselov 首次利用简单的胶带粘揭的方法（ Scotch taping ）获得了近乎完美和自由状态 的石墨烯，并观察到了其前所未有的电学性质。两人因此荣获 2010 年的诺贝尔物理学奖。石墨烯是构成碳元素其他几种重要同素异形体的基本组件。 如图 1-2 所示，多层石墨烯的堆叠可构成三维的石墨，石墨烯卷曲成环可构成一维的碳 纳米管，具有一定形状的石墨烯缠绕闭合可构成零维富勒烯。因此，石墨烯这种最新发现的碳的同素异形体一直是众多早期理论研究的对象，而早期相关的实验工作大部分局限于石墨插层化合物和石墨氧化物。 从