碳材料家族的“八大成员”

碳是自然界中最常见的元素之一,而碳材料几乎包括了地球上所有物质所具有的性质,如最硬-最软、绝缘体-半导体-超导体、绝热-超导热、吸光-全透光等,21世纪被称为是“超碳时代”,下面让我们来看看碳材料家族都有哪些重要成员。

1985年英国化学家哈罗德·沃特尔·克罗托博士和美国科学家理查德·斯莫利在莱斯大学制备出富勒烯。富勒烯的发现,打破了人们对于碳的同素异形体只有石墨、钻石、无定形碳(如炭黑和炭)的认识。为人们开辟了一个崭新的研究领域,而其奇异的空心球结构,开拓了碳原子新的时代!富勒烯及其衍生物具有许多优异的性能,具有超导,半导体,强磁性等,在光、电、磁等领域有潜在的应用前景。
1991年,碳纳米管被发现,碳纳米管是由石墨中的碳原子层卷曲而成的管状的材料,管的直径一般为几纳米到几十纳米,管的厚度仅为几纳米。
2008年,碳纳米管获得Kavli纳米科学奖,被学术界誉为纳米科技界的诺贝尔奖。碳纳米管作为一维纳米材料,重量轻,六边形结构连接完美,具有许多异常的力学、电学和化学性能。由于其独有的结构和奇特的物理、化学特性以及潜在的应用前景而吸引了物理、化学、材料、电子等领域专家的极大关注,在全世界掀起了一股碳纳米管的热潮,被称为是21世纪最有前途的一维纳米材料。
2004年,英国两位科学安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛通过机械剥离用透明胶带对天然石墨进行层层剥离意外得到了石墨烯,一种由碳原子以sp²杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的二维碳纳米材料。
2010年,英国曼彻斯特大学的安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫由于在二维碳材料石墨烯方面开创性的研究被授予了诺贝尔物理奖。石墨烯具有优异的光学、电学、力学特性,在材料学、微纳加工、能源、生物医学和药物传递等方面具有重要的应用前景,被认为是一种未来革命性的材料。
2010年,就在为石墨烯获得诺贝尔物理学奖欢呼雀跃之时,中科院化学所有机固体院重点实验室李玉良团队利用六炔基苯在铜片的催化作用下发生偶联反应,成功地在铜片表面上通过化学方法合成了大面积大面积石墨炔薄膜,碳的新的同素异形体——石墨炔。

一、富勒烯

以C60为代表的富勒烯是空心球形构型,C60是由12个正五边形和20个正六边形组成的三十二面,像一个足球。

应用领域:

从富勒烯被发现并且大量生产后,其在科学领域的应用越来越多。它是碳的第三种同素异形体,与金刚石或石墨不同,仅由排列为中空封闭笼形的碳原子组成。特殊结构形成了其独特的理化性质,具有密度小、易升华、不导电,比金刚石活泼,以及高度对称性等特点,对化学、物理、材料科学、生物、药物活性等都产生了深远的影响。

最新动态:日前,中科大选取反应活性非常高的C60材料为前驱体,用KOH在500-700摄氏度,氨气气氛下进行处理后,获得了主要由SP2共价键构成的N掺杂多孔碳材料,该材料的N含量为7.8wt%,在100mA/g的电流密度下,该材料的可逆比容量达到1900mAh/g,在5A/g的高电流密度下,比容量达到600mAh/g,在5A/g的电流密度下,循环2000次,平均的容量衰降速度仅为0.03%/次。

二、碳纤维

碳纤维是含碳量高于90%的无机高分子纤维,其中含碳量高于99%的称为石墨纤维,碳纤维具有密度小、质量轻、强度(比钢大4-5倍)、弹性模量高等特性。碳纤维的微观结构类似人造石墨,是乱层石墨结构,在沿纤维轴方向表现出很高的强度。

应用领域:

目前已商品化的碳纤维(CF)产品最高强度为7 GPa,中国刚突破的研发水平为6.3Gpa;最新研发成功的超碳纤维(UCF)是日本东丽TORAYCA的T2000,强度高达60GPa,相当于碳纤维理论值(180GPa)的1/3。

三、碳纳米管

碳纳米管是一种具有特殊结构(径向尺寸为纳米级,轴向尺寸为微米级,管子两端基上都封口)的一维量子材料,可看作是由片层结构的石墨卷成的无缝中空的纳米级同轴圆柱体,两端由富勒烯半球封成,碳纳米管被称为是21世纪最有前途的一维纳米材料。

应用领域:

2017年1月20日,美国杂志刊登了北大彭练矛等人在碳纳米管电子学领域取得的世界级突破:首次制备出5纳米栅长高性能碳纳米管晶体管,并证明其性能超越同等尺寸硅基CMOS场效应晶体管,将晶体管性能推至理论极致。

四、石墨/石墨烯

石墨具有层状晶体结构,在晶体中碳原子之间以σ键连接在一起,在同一层上还有一个大π键。一个碳原子周围只有3个碳原子与其相连,碳与碳组成了六边形的形状,无限多的六边形组成了一层。层与层之间联系力非常弱,而层内3个碳原子联系很牢固。

石墨是由一层层以蜂窝状有序排列的平面碳原子堆叠而形成的,当把石墨片剥成单层之后,这种只有一个碳原子厚度的单层就是石墨烯。

应用领域:

2017年2月21日,北京碳世纪科技有限公司发布中国首款石墨烯锂离子五号充电电池。与普通5号干电池、充电电池相比,该款电池优势明显,可循环使用3万次以上,能够在-45℃~60℃的环境下使用,这些性能都是普通电池所不能及的。最为重要的是,该款电池能够实现量产,产品发布也代表了正式投入市场。

五、金刚石

金刚石是最为坚硬的一种碳结构,碳原子以晶体结构的形式排列,每一个碳原子与另外4个碳原子紧密键合,最终形成了一种硬度大、活性差的固体。

世界上最大的金刚石-库里南钻石

应用领域:

欧盟科技人员利用纳米金刚石表面致密,没有任何物质能通过其表面扩散的特性,将其作为植入体与人体神经组织之间的介质材料,有望在人工视网膜植入和磁共振成像(MRI)领域取得重要突破。

6、碳气凝胶

碳气凝胶是一种具有三维纳米网络结构的轻质多孔碳材料,具有比表面积高、密度低、孔隙率高、孔径分布可调和导电性良好等特性。

应用领域:

2016年1月6日,国家发改委将气凝胶材料列入国家重点节能低碳技术推广目录。

2016年12月5日,东华大学俞建勇等人在超轻生物质衍生碳基纳米纤维气凝胶研究上取得了突破性进展。利用纳米纤维“三维网络重构”新方法将静电纺纳米纤维和新型生物质碳源构建为超轻质、超弹性碳基纳米纤维气凝胶,该气凝胶具有类蜂巢网孔结构,且其固态材料密度仅为0.14mg/cm3。

七、碳纳米葱包覆金属颗粒

碳纳米葱包覆金属颗粒是一种新型的碳/金属纳米复合材料,其中数层石墨片层紧密围绕纳米金属颗粒有序排列,形成类洋葱结构,纳米金属离子则处于洋葱的核心。

理想化的石墨片层包裹金属颗粒的模型图

应用领域:

八、石墨炔

石墨炔(Graphdiyne),是继富勒烯、碳纳米管、石墨烯之后,一种新的全碳纳米结构材料,具有丰富的碳化学键、大的共轭体系、宽面间距、优良的化学稳定性,被誉为是最稳定的一种人工合成的二炔碳的同素异形体。2010年,中科院化学所有机固体院重点实验室科研人员在首次通过六乙炔基苯前体的交叉偶联反应,成功地在Cu箔表面合成了高质量的石墨炔薄膜。所制备的石墨炔具有与硅类似的优异半导体特性,石墨炔被认为是堪比石墨烯的“超级材料”,它的加入能改善很多材料的性能。

石墨炔拥有众多超越石墨烯的性能,与石墨烯不同,石墨炔断裂应变和应力强烈依赖于所施加应变的方向,范围为48.2至107.5GPa,最终应变为8.2%-13.2%。尽管石墨炔的密度仅为石墨烯的一半,但片间粘附力和面外弯曲刚度与石墨烯相当。Cranford等人对其机械性能定量测量发现模量为470至580GPa,极限强度为36至46GPa(取决于方向)。与石墨烯(零带隙)不同,石墨炔具有自然带隙(固有的半导体特性),并且同时具有高导电性。

应用领域:

石墨炔的优势非常明显,应用也很广泛。贵金属催化剂(如Pt,Ir,Pd)被认为是最先进的电催化剂,它们的高成本,稀缺性,稳定性差。虽然碳材料的结构由于其可调节的分子结构,但低电导率和有限暴露的活性位点在催化上显得并不是很理想。石墨炔上的一些碳原子具有净正电荷,这些带正电荷的位点可以改善石墨炔与气体之间的相互作用并促进电催化过程。此外,由于石墨炔中苯环之间的额外炔烃单元,网络的孔径增加至约2.5埃,这有利于当暴露于大气时空气吸附到孔隙中。近年研究的热电锂电池也被加入石墨做成了商业化负极,但是372 mA h/g的低储存容量是一大限制。理论结果表明,石墨炔(GDY)的实际比容量/体积容量(α-GDY为2719mA h/g,γ-GDY为744 mA h/g)。GDY单分子层中Li的能量学和动力学证明GDY能够在具有中等势垒(0.35-0.52eV)的Li离子的面内和面外扩散,这表明GDY可以作为优异的锂离子电池负极。此外,石墨炔在光电探测器、超级电容器、太阳能电池、光催化水分解等方面也有着很多优异的性能。


文章来源:中国腐蚀与防护网