碳纳米管与石墨烯课件.ppt

1、2022-3-261主要内容1简介简介234碳纳米管碳纳米管石墨烯石墨烯总结总结2022-3-2621.简介 化学修饰化学修饰用用吸附、涂敷、聚合、化吸附、涂敷、聚合、化学反应学反应等方法把活性基团等方法把活性基团或催化物质等附着在电极或催化物质等附着在电极表面，保护电极或改进电表面，保护电极或改进电极特征功能的工艺过程。极特征功能的工艺过程。2022-3-2631.简介碳纳米管碳纳米管（Carbon NanotubeCarbon Nanotube）：）： 又称巴基管与石墨、金刚石一又称巴基管与石墨、金刚石一样样, ,也是碳的同素异构体。也是碳的同素异构体。 无缝中空无缝中空管状的碳分子，管上

2、管状的碳分子，管上每个碳原子采取每个碳原子采取spsp2 2杂化，相互之间杂化，相互之间碳碳- -碳碳键结合起来，形成由键结合起来，形成由六边形六边形组成的组成的蜂窝状结构蜂窝状结构作为碳纳米管的作为碳纳米管的骨架。径向为纳米级，轴向为微米骨架。径向为纳米级，轴向为微米级。级。 旋转的碳纳米管分子示意图：小圆球代表碳原子，它们之间的长条形连接物代表化学键。http:/zh.wikipedia.org/wiki/%E7%A2%B3%E7%BA%B3%E7%B1%B3%E7%AE%A12022-3-2641.简介长度：长度： 150m 直径：直径： 0.753nm长度：长度： 0.150m直径：直

3、径： 230nm层数：层数： 250层间距：层间距：0.340.01nm无论多壁管还是单壁管都具有很高的长径比，无论多壁管还是单壁管都具有很高的长径比，一般为一般为10010010001000，最高可达，最高可达100010001000010000，完全可以认为是一维分子。完全可以认为是一维分子。 2022-3-265主要内容1简介简介234碳纳米管碳纳米管石墨烯石墨烯总结总结2022-3-266l 优点：性能及应用优点：性能及应用l 碳纳米管制备碳纳米管制备l 缺点：缺点：化学修饰化学修饰l 碳纳米管的进展碳纳米管的进展碳纳米管碳纳米管2022-3-267性能2022-3-268应用2022

4、-3-269制备方法聂海瑜。碳纳米管的制备J，塑料工业。2004，32（10）：11。电弧法电弧法多壁多壁CNTs单壁单壁CNTs多壁多壁CNTs单壁单壁CNTs2022-3-2610化学修饰化学修饰2022-3-2611化学修饰 A：氧化开管后修饰：氧化开管后修饰 B：侧壁共价修饰：侧壁共价修饰 C：侧壁非共价修饰：侧壁非共价修饰 D：包埋功能化：包埋功能化 E：内腔功能化：内腔功能化Angew. Chem. Int. Ed., 2002, 41, 1853.2022-3-2612化学修饰 共价键修饰共价键修饰是在碳米管表面上共价地连接一些适宜的基团，使CNTs表面和聚合物之间产生化学键连接

5、,以改善其溶解度。 非共价键修饰非共价键修饰利用有效的溶剂化作用和表面活性剂或天然生物大分子化合物包裹在碳纳米管外壁以增加其溶解性。2022-3-2613化学修饰 表面活性剂表面活性剂GA由亲水性的极性基团和憎由亲水性的极性基团和憎水性的非极性基团所构成。是一种高分子长链，水性的非极性基团所构成。是一种高分子长链，混合物在两相界面间具有良好的吸附能力，且混合物在两相界面间具有良好的吸附能力，且黏度较低，分子能定向地排列于任意两相之间黏度较低，分子能定向地排列于任意两相之间的界面层中，使界面的不饱和力场得到某种程的界面层中，使界面的不饱和力场得到某种程度的补偿，从而使界面张力降低。度的补偿，从而

6、使界面张力降低。非共价修饰非共价修饰2022-3-2614化学修饰 改善多壁碳纳米管（改善多壁碳纳米管（WMCNTs）在水体系中的分散性，）在水体系中的分散性，以阿拉伯胶（以阿拉伯胶（GA）为分散剂（）为分散剂（SAA），采用），采用SAA超超声处理法对声处理法对WMCNTs进行修饰。进行修饰。 通过通过GA分子长链的包覆改善分子长链的包覆改善WMCNTs的亲水性和的亲水性和分散性，进而表现出对分散性，进而表现出对WMCNTs具有较好的分散稳具有较好的分散稳定性。定性。王保民等。碳纳米管的表面修饰及分散机理研究J.中国矿业大学学报.2012，41：758-7632022-3-2615化学修饰

7、WMCNTs的表面与的表面与GA长链的吸附作用，长链的吸附作用， GA长链平长链平 躺在躺在WMCNTs表面，形成空间位阻层，分散性不好。表面，形成空间位阻层，分散性不好。 随着随着GA质量浓度的逐渐增加，其大量质量浓度的逐渐增加，其大量 分子自动聚集于分子自动聚集于WMCNTs表面，表面， 形成胶束，亲水性最佳。形成胶束，亲水性最佳。 浓度继续增加，胶束之间的浓度继续增加，胶束之间的 渗透压导致渗透压导致WMCNTs重新团聚。重新团聚。2022-3-2616化学修饰共价修饰共价修饰 超支化聚合物具有三维球形的高度支化的分子结构，分超支化聚合物具有三维球形的高度支化的分子结构，分子间不会发生交

8、联。具有低粘度、高流变性、良好的溶解性，子间不会发生交联。具有低粘度、高流变性、良好的溶解性，为提高为提高CNTsCNTs的分散性提供了有利条件。的分散性提供了有利条件。2022-3-2617化学修饰 超支化聚合物修饰超支化聚合物修饰的的CNTs具有核壳结构具有核壳结构, ,分子的壳分子的壳层高度支化层高度支化, ,末端聚集大量的活性官能团，粘度低、溶解末端聚集大量的活性官能团，粘度低、溶解性能好，分子之间无缠结，因此表现出许多线形聚合物性能好，分子之间无缠结，因此表现出许多线形聚合物修饰的所不具有的特殊性能，如良好的溶解性，低溶液修饰的所不具有的特殊性能，如良好的溶解性，低溶液粘度，高反应活

9、性，并且可以通过封端反应加以改性。粘度，高反应活性，并且可以通过封端反应加以改性。张梓军等.超支化聚合物修饰碳纳米管的研究进展J.材料导报.2012，26：144-1482022-3-2618化学修饰 共价键修饰改性碳纳米管共价键修饰改性碳纳米管 利用氧化剂（强酸）等对碳纳米管进行化学利用氧化剂（强酸）等对碳纳米管进行化学切割，可使切割，可使CNTs开口并在其表面接枝上一定数开口并在其表面接枝上一定数量的活性基团（羧基、羟基）等，再通过活性基量的活性基团（羧基、羟基）等，再通过活性基团与超支化大分子反应，从而实现的超支化共价团与超支化大分子反应，从而实现的超支化共价修饰。修饰。2022-3-2

10、619进展 检测血糖浓度的生物传感器，在玻碳电极表检测血糖浓度的生物传感器，在玻碳电极表面形成碳纳米管面形成碳纳米管/ /壳聚糖膜壳聚糖膜/ /空壳纳米钯均匀致密空壳纳米钯均匀致密稳定的修饰层稳定的修饰层, ,制备了用于测定葡萄糖的新型无酶制备了用于测定葡萄糖的新型无酶传感器。该传感器可以快速地实现电极与葡萄糖传感器。该传感器可以快速地实现电极与葡萄糖之间的直接电子转移，有良好的稳定性。之间的直接电子转移，有良好的稳定性。沈健,黄杉生.空壳纳米钯-碳纳米管修饰的无酶葡萄糖传感器的研究J.2012，32: 21-252022-3-2620石墨烯？2022-3-2621主要内容1简介简介234碳纳

11、米管碳纳米管石墨烯石墨烯总结总结2022-3-2622石墨烯 1. 结构性质结构性质 2. 制备方法制备方法 3.修饰改性修饰改性 4.应用举例应用举例2022-3-2623 Carbon NanotubeCarbon Nanotube是具有石墨结构并且按一是具有石墨结构并且按一定规则卷曲形成的纳米级管状结构的孔状定规则卷曲形成的纳米级管状结构的孔状 材料。材料。 石墨烯可以包裹形成零维富勒烯；它也可石墨烯可以包裹形成零维富勒烯；它也可以卷起来形成一维的碳纳米管；同样，它以卷起来形成一维的碳纳米管；同样，它也可以层层堆叠构成三维的石墨。也可以层层堆叠构成三维的石墨。2022-3-2624 石墨

12、烯是由碳原子以石墨烯是由碳原子以sp2杂化连接的单原子层构成杂化连接的单原子层构成的，其基本结构单元为有机材料中最稳定的苯六的，其基本结构单元为有机材料中最稳定的苯六元环，其理论厚度仅为元环，其理论厚度仅为0.35 nm，是目前所发现的，是目前所发现的 最薄的二维材料。最薄的二维材料。2022-3-2625 20世纪世纪70年代年代,Clar等利用化学方法合成一系列具等利用化学方法合成一系列具有大共轭体系的化合物有大共轭体系的化合物,即石墨烯片。即石墨烯片。 Schmidt等科学家对其方法进行改进等科学家对其方法进行改进,合成了许多合成了许多含不同边缘修饰基团的石墨烯衍生物含不同边缘修饰基团的

13、石墨烯衍生物,但这种方法但这种方法不能得到较大平面结构的石墨烯。不能得到较大平面结构的石墨烯。 2004年年,Geim等以石墨为原料等以石墨为原料,通过微机械力剥离通过微机械力剥离法得到一系列叫作二维原子晶体的新材料法得到一系列叫作二维原子晶体的新材料“石墨石墨烯烯(graphene ) ”。Clar E , Ironside C T, Zander M. J . Chem. Soc. 1959 , 142-147 Hendel W, Khan Z H , Schmidt W. Tetrahedron. 1986 , 42 : 1127 -11342022-3-2626 石墨烯中的各个碳原子之

14、间的连接十分柔韧，当石墨烯中的各个碳原子之间的连接十分柔韧，当对其施加外部机械力时，碳原子面就会弯曲变形，对其施加外部机械力时，碳原子面就会弯曲变形，从而使碳原子不必重新排列来适力，就保持从而使碳原子不必重新排列来适力，就保持 了该材料结构的稳定性。了该材料结构的稳定性。 同时，这种稳定的晶格结构也使石墨烯具有优秀同时，这种稳定的晶格结构也使石墨烯具有优秀的导电性，石墨烯中的电子在轨道中移动时，不的导电性，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。会因晶格缺陷或引入外来原子而发生散射。 石墨烯因具有高的比表面积、突出的导热性能和石墨烯因具有高的比表面积、突出的导热性

15、能和力学性能及其非凡的电子传递性能等一系列优异力学性能及其非凡的电子传递性能等一系列优异的性质。的性质。2022-3-26272022-3-26282022-3-2629 一种典型的微机械剥离制备石墨烯方法一种典型的微机械剥离制备石墨烯方法a.利用胶带分开石利用胶带分开石墨薄片；墨薄片；b.逐次反复分开石逐次反复分开石墨薄片；墨薄片； c.将足够薄的片粘将足够薄的片粘附在硅上；附在硅上； d.压紧后揭开可以压紧后揭开可以找到附着在硅找到附着在硅 片片上的石墨烯。上的石墨烯。A. K. Geim, P. Kim. Carbon wonderlandJ. SCIENTIFIC AMERICAN,

16、2008, 298（4）: 90-972022-3-26302022-3-2631化学方法氧化石氧化石墨还原墨还原法法化学气化学气相沉积相沉积法法2022-3-2632化学气相沉积法 化学气相沉积化学气相沉积 (CVD) 是反应物质在相当高的温度、是反应物质在相当高的温度、气态条件下发生化学反应气态条件下发生化学反应,生成的固态物质沉积在生成的固态物质沉积在加热的固态基体表面加热的固态基体表面,进而制得固体材料的工艺技进而制得固体材料的工艺技术。它本质上属于原子范畴的气态传质过程。术。它本质上属于原子范畴的气态传质过程。 Dato等报道了一种新型等离子体增强化学气相沉等报道了一种新型等离子体增

17、强化学气相沉积法积法,乙醇液滴作为碳源乙醇液滴作为碳源,利用利用Ar等离子体合成石等离子体合成石 墨烯墨烯, 极大地缩短了反应时间。极大地缩短了反应时间。Dato A , Radmilovic V , Lee Z, Phillips J , Frenklach M. Nano Lett . 2008 , 8 (7) : 2012-20162022-3-26332022-3-2634 为了破环石墨层间的范德华作用力为了破环石墨层间的范德华作用力, ,更好地实现剥更好地实现剥离离, ,目前化学家们常先对氧化石墨烯进行修饰然后目前化学家们常先对氧化石墨烯进行修饰然后再进行还原再进行还原, ,即氧化即

18、氧化- -修饰修饰- -还原的方法。还原的方法。 化学修饰主要包括化学修饰主要包括3种种: 共价键修饰共价键修饰 非共价键修饰非共价键修饰 金属颗粒及金属离子修饰金属颗粒及金属离子修饰2022-3-2635共价键修饰 通过氧化通过氧化-分散分散-还原得到的石墨烯通常其边缘含有羧基还原得到的石墨烯通常其边缘含有羧基,共共价键修饰可以羧基为活性基团价键修饰可以羧基为活性基团,与胺或氨基酸等反应。与胺或氨基酸等反应。 Lomeda等将表面活性剂十二烷基苯磺酸钠等将表面活性剂十二烷基苯磺酸钠(SDBS) 包裹的包裹的氧化石墨烯经水合肼还原后与芳基重氮盐反应得到芳基修氧化石墨烯经水合肼还原后与芳基重氮盐

19、反应得到芳基修饰的石墨烯饰的石墨烯.它们在极性非质子性溶剂它们在极性非质子性溶剂(如如DMF、NMP、DMAc)中有较好的溶解性中有较好的溶解性,只是得到石墨烯有部分是双层只是得到石墨烯有部分是双层的。的。 石墨烯上的羟基作为活性位点也可以与多种聚合物通过共石墨烯上的羟基作为活性位点也可以与多种聚合物通过共价键结合。价键结合。Lomeda J R , Doyle C D , Tour J M, et al . J . Am. Chem. Soc. 2008 , 130 (48) : 16201-162062022-3-2636非共价键修饰 石墨烯具有大的石墨烯具有大的共轭体系共轭体系,因而可与

20、具有共轭体系的小分因而可与具有共轭体系的小分子或高分子通过子或高分子通过-相互作用增强其溶解性能或者是分散相互作用增强其溶解性能或者是分散到溶液体系。到溶液体系。 石高全等利用氧化石墨烯与具有大石高全等利用氧化石墨烯与具有大共轭体系的分子间的共轭体系的分子间的非共价键作用合成了非共价键作用合成了PB-G(1-芘丁酸修饰的石墨烯芘丁酸修饰的石墨烯)。 与未经修饰的氧化石墨烯相比与未经修饰的氧化石墨烯相比,PB-G在水中能形成稳定的在水中能形成稳定的分散体系分散体系,且电导率比氧化石墨烯高且电导率比氧化石墨烯高107 倍。倍。Xu Y X, Bai H , Lu GW, Li C , Shi G

21、Q. J . Am. Chem. Soc. 2008 , 130 (18) : 5856 58572022-3-2637金属颗粒及金属离子修饰 Samulski等用铂纳米颗粒修饰石墨烯等用铂纳米颗粒修饰石墨烯,铂作为阻隔基团铂作为阻隔基团,可可降低石墨烯层间的降低石墨烯层间的-堆积作用堆积作用,得到的石墨烯比表面积较得到的石墨烯比表面积较大大(862m2/g)。这种铂修饰的石墨烯可以作为超级电容器。这种铂修饰的石墨烯可以作为超级电容器 或燃料电池电极。或燃料电池电极。 其他金属颗粒也可用于修饰石墨烯。其他金属颗粒也可用于修饰石墨烯。铁磁性的铁磁性的Ni 、Co 、Fe等修饰后得到的复合物可屏蔽

22、电等修饰后得到的复合物可屏蔽电磁干扰磁干扰;Pd、Au 修饰后得到的复合物可作为超灵敏的化学传感修饰后得到的复合物可作为超灵敏的化学传感器器,用于检测用于检测H2 、NO 等。等。Si Y C , Samulski E T. Chem. Mater. 2008 , 20 : 6792 67972022-3-2638 合成石墨烯的中间产物合成石墨烯的中间产物氧化石墨烯氧化石墨烯(GO),同样具同样具有较好的机械性能有较好的机械性能,而且含有环氧键、羟基、羧基而且含有环氧键、羟基、羧基等含氧功能团等含氧功能团,但溶解性不好但溶解性不好,因而也有不少科学家因而也有不少科学家研究氧化石墨烯的化学修饰。

23、研究氧化石墨烯的化学修饰。 Stankovich等通过异氰酸酯对等通过异氰酸酯对GO进行功能化修饰进行功能化修饰,得到了一系列不同得到了一系列不同CPN比的产物比的产物,可在一些极性非可在一些极性非质子性溶剂质子性溶剂(如如DMF、NMP、DMSO、HMPA 、THF等等) 中形成稳定的胶束体系。中形成稳定的胶束体系。Stankovich S , Piner R D , Ruoff R S. Carbon , 2006 , 44 : 3342 -33472022-3-2639双层石墨烯可降低元器件电噪声美国美国IBMIBM公司公司TJTJ沃森研究中沃森研究中心的科学家，最近攻克了在利心的科学家

24、，最近攻克了在利用石墨构建纳米电路方面最令用石墨构建纳米电路方面最令人困扰的难题，即通过将两层人困扰的难题，即通过将两层石墨烯片叠加，可以将元器件石墨烯片叠加，可以将元器件的电噪声降低的电噪声降低1010倍，由此可以倍，由此可以大幅改善晶体管的性能，这将大幅改善晶体管的性能，这将有助于制造出比硅晶体管速度有助于制造出比硅晶体管速度快、体积小、能耗低的石墨烯快、体积小、能耗低的石墨烯晶体管。晶体管。 2022-3-2640石墨烯在储氢/甲烷中的应用Dimitrakakis利用石墨烯和碳纳米管设计了一个三维储氢模利用石墨烯和碳纳米管设计了一个三维储氢模型，如果这种材料掺入锂离子，其在常压下储氢能力

25、可以达型，如果这种材料掺入锂离子，其在常压下储氢能力可以达到到41g/L。因此，石墨烯这种新材料的出现，为人们对储氢。因此，石墨烯这种新材料的出现，为人们对储氢甲烷材料的设计提供了一种新的思路和材料。甲烷材料的设计提供了一种新的思路和材料。2022-3-2641l超级电容器超级电容器l药物控制释放药物控制释放l计算机芯片计算机芯片l作为电极材料作为电极材料l在复合材料中的应用在复合材料中的应用2022-3-2642主要内容1简介简介234碳纳米管碳纳米管石墨烯石墨烯总结总结2022-3-26434.总结简介简介( (概念概念) )总结总结碳纳米管碳纳米管化学修饰化学修饰碳纳米管碳纳米管石墨烯石墨烯性能：应用性能：应用缺点：化学修饰缺点：化学修饰制备方法制备方法2022-3-26444.总结碳纳米管碳纳米管石墨烯石墨烯2022-3-2645