碳納米管與石墨烯

1、碳納米管與石墨烯的化學(xué)修飾2013-12-5主要內(nèi)容簡(jiǎn)介碳納米管石墨烯總結(jié)2013-12-52013-12-5簡(jiǎn)介用吸附.涂敷、聚合、化 學(xué)反應(yīng)等方法把活性基團(tuán) 或催化物質(zhì)等附著在電極 表面，保護(hù)電極或改進(jìn)電 極特征功能的工藝過程。31.簡(jiǎn)介2013-12-552013-12-55樣,也是碳的同素異構(gòu)體骨架。徑向?yàn)榧{米級(jí),級(jí)。碳納米管（Carbon Nano 又稱巴基管與石墨、每個(gè)碳原子采取SP?雜化; 碳-碳（7鍵結(jié)合起來(lái)，形1.簡(jiǎn)介單壁碳納米管2 30nm多壁碳納米管im長(zhǎng)度：0150pm 負(fù)徑： 長(zhǎng)度：150um直徑：075無(wú)論多壁管還是單壁管都具有很高的長(zhǎng)徑比, 一般為1001000,

2、最高可達(dá)100010000, 完全可以認(rèn)為是一維分子。2013-12-55主要內(nèi)容簡(jiǎn)介碳納米管石墨烯總結(jié)2013-12-5碳納米管2013-12-5202013-12-520優(yōu)點(diǎn)：性能及應(yīng)用碳納米管制備缺點(diǎn)：化學(xué)修飾碳納米管的進(jìn)展2013-12-520高強(qiáng)度低密度:高比表面積熱穩(wěn)定性高韌性離電導(dǎo)化學(xué)穩(wěn)定性2013-12-520應(yīng)用碳納米管的應(yīng)用潛力u高性能纖維、復(fù)合材料高導(dǎo)電、高導(dǎo)熱纖維/復(fù)合材料抗沖擊防護(hù)材料 電磁屏蔽鋰電/超電容儲(chǔ)能和電極材料 柔性光電/人工肌肉/智能編織y吸附和過濾材料:航空航天'軍工能源環(huán)境機(jī)械電子生活2013-12-520制備方法r噴淋法化學(xué)氣相沉積法彳浮游法

3、I基體法多壁CNTs球磨法電解法低溫固體熱解法2013-12-5聶海瑜。碳納米管的制備J,塑料工業(yè)。2004, 32 (10) : llo10擴(kuò)散火焰法2013-12-5聶海瑜。碳納米管的制備J,塑料工業(yè)。2004, 32 (10) : llo10納米管制備V；2013-12-5聶海瑜。碳納米管的制備J,塑料工業(yè)。2004, 32 (10) : llo102013-12-5聶海瑜。碳納米管的制備J,塑料工業(yè)。2004, 32 (10) : llo10單壁CNTs電弧法激光蒸發(fā)法化學(xué)氣相沉積法 太陽(yáng)能法2013-12-5聶海瑜。碳納米管的制備J,塑料工業(yè)。2004, 32 (10) : llo1

4、0化學(xué)修飾2013-12-519化學(xué)修飾A： B：C： D：E：氧化開管后修飾 側(cè)壁共價(jià)修飾側(cè)壁非共價(jià)修飾 包埋功能化 內(nèi)腔功能化2013-12-5Angew. Chem. hit. Ed., 2002, 41, 1853.12化學(xué)修飾2013-12-519化學(xué)修飾非共價(jià)鍵修飾利用 有效的溶劑化作用和 表面活性劑或天然生 物大分子化合物包裹 在碳納米管外壁以增 加其溶解性。/f共價(jià)鍵修飾是在碳米管表面上共價(jià)地連（ H接-些適宜的基團(tuán)，使CNTs表面和聚合物 之間產(chǎn)生化學(xué)鍵連接， '以改善其溶解度。*非共價(jià)修飾表面活性劑GA由親水性的極性基團(tuán)和憎 水性的非極性基團(tuán)所構(gòu)成。是一種高分子長(zhǎng)鏈

5、, 混合物在兩相界面間具有良好的吸附能力，且 黏度較低，分子能定向地排列于任意兩相之間 的界面層中，使界面的不飽和力場(chǎng)得到某種程 度的補(bǔ)償，從而使界面張力降低。2013-12-519化學(xué)修飾2013-12-5王保民等。碳納米管的表面修飾及分散機(jī)理研究J中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào).2012, 41： 758-76315化學(xué)修飾1. WMCNT啲表面與GA長(zhǎng)鏈的吸附作用，GA長(zhǎng)鏈平 躺在WMCNTs表面，形成空間位阻層，分散性不好。2隨著GA質(zhì)量濃度的逐漸增加，其大量分子自動(dòng)聚集于WMCNTs表面, 形成膠束，親水性最佳。3.濃度繼續(xù)增加，膠束之間的親水堆團(tuán)1 of 1靜電排斥(a)(h)(c)滲透壓導(dǎo)致W

6、MCNTs重新團(tuán)聚。2013-12-519化學(xué)修飾*共價(jià)修飾超支化聚合物具有三維球形的高度支化的分子結(jié)構(gòu)，分子間不會(huì)發(fā)生交聯(lián)。具有低粘度、高流變性、良好的溶解性, 為提高CNTs的分散性提供了有利條件。超支化聚合物修飾的CNTs具有核殼結(jié)構(gòu)，分子的殼 層高度支化，末端聚集大量的活性官能團(tuán)，粘度低、溶解性能好，分子之間無(wú)纏結(jié)，因此表現(xiàn)出許多線形聚合物修飾的所不具有的特殊性能，如良好的溶解性，低溶液粘度，高反應(yīng)活性，并且可以通過封端反應(yīng)加以改性。張梓軍等超支化聚合物修飾碳納米管的研究進(jìn)展J材料導(dǎo)報(bào).2012, 26： 144-148共價(jià)鍵修飾改性碳納米管利用氧化劑（強(qiáng)酸）等對(duì)碳納米管進(jìn)行化學(xué)切割，

7、可使CNTs開口并在其表面接枝上一定數(shù) 量的活性基團(tuán)（竣基、徑基）等，再通過活性基 團(tuán)與超支化大分子反應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)的超支化共價(jià) 修飾。2013-12-519進(jìn)展檢測(cè)血糖濃度的生物傳感器，在玻碳電極表 面形成碳納米管/殼聚糖膜/空殼納米耙均勻致密 穩(wěn)定的修飾層，制備了用于測(cè)定葡萄糖的新型無(wú)酶 傳感器。該傳感器可以快速地實(shí)現(xiàn)電極與葡萄糖 之間的直接電子轉(zhuǎn)移，有良好的穩(wěn)定性。沈健,黃杉生空殼納米鋰碳納米管修飾的無(wú)酶葡萄糖傳感器的研究JJ.2012, 32: 21-252013-12-520主要內(nèi)容簡(jiǎn)介碳納米管石墨烯總結(jié)2013-12-522 1.結(jié)構(gòu)性質(zhì) 2.制備方法 3 修飾改性4 應(yīng)用舉例201

8、3-12-5石墨烯23ua定材 石以也2013-12-524石墨烯是由碳原子以Sp2雜化連接的單原子層構(gòu)成 的，其基本結(jié)構(gòu)單元為有機(jī)材料中最穩(wěn)定的苯六 元環(huán)，其理論厚度僅為0.35 nm,是目前所發(fā)現(xiàn)的最薄的二維材料。20世紀(jì)70年代,Clar等利用化學(xué)方法合成一系列具有大共軌體系的化合物，即石墨烯片OSchmidt等科學(xué)家對(duì)其方法進(jìn)行改進(jìn)，合成了許多含不同邊緣修飾基團(tuán)的石墨烯衍生物，但這種方法不能得到較大平面結(jié)構(gòu)的石墨烯o2004年,Geim等以石墨為原料，通過微機(jī)械力剝離法得到一系列叫作二維原子晶體的新材料“石墨烯(graphene ) ” oClar E , Ironside C T,

9、Zander M. J Chem. Soc. 1959 , 142-147Hendel W, Khan Z H , Schmidt W. Tetrahedron. 1986,42 : 1127 -1134石墨烯中的各個(gè)碳原子之間的連接十分柔韌，當(dāng) 對(duì)其施加外部機(jī)械力時(shí)，碳原子面就會(huì)彎曲變形, 從而使碳原子不必重新排列來(lái)適力，就保持 了該材料結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。同時(shí)，這種穩(wěn)定的晶格結(jié)構(gòu)也使石墨烯具有優(yōu)秀的導(dǎo)電性，石墨烯中的電子在軌道中移動(dòng)時(shí)，不 會(huì)因晶格缺陷或引入外來(lái)原子而發(fā)生散射O石墨烯因具有高的比表面積、突出的導(dǎo)熱性能和力學(xué)性能及其非凡的電子傳遞性能等一系列優(yōu)異 的性質(zhì)。2013-12-529機(jī)械

10、方法2013-12-531一種典型的微機(jī)械剝離制備石墨烯方法a利用膠帶分開石墨薄片;b逐次反復(fù)分開石墨薄片;c將足夠薄的片粘 附在硅上；d壓緊后揭開可以找到附著在硅片上的石墨烯。2013-12-5#A. K. Geim, P. Kim. Carbon wonderlandJ. SCIENTIFIC AMERICAN, 2008, 298 (4) : 90-972013-12-5#微機(jī)械剝離法優(yōu)點(diǎn)：工藝簡(jiǎn)單、制備成本低和樣品質(zhì)量高不足：制備的石墨烯其尺寸不易控制，無(wú)法可靠地 制備岀足夠長(zhǎng)度的石墨烯取向附生法優(yōu)點(diǎn)：?jiǎn)螌邮┍∑憩F(xiàn)令人滿意不足：生產(chǎn)的石墨烯薄片往往厚度不均勻外延生長(zhǎng)法優(yōu)點(diǎn)：能夠制

11、備出-2碳原子層厚的石墨烯 不足：難以獲得人面積、厚度均一的石墨烯2013-12-533f J氣積 弊沉 化桶法J化學(xué)方法石原 化還 氧酸法J2013-12-535化學(xué)氣相沉積法化學(xué)氣相沉積(CVD)是反應(yīng)物質(zhì)在相當(dāng)高的溫度、氣態(tài)條件下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成的固態(tài)物質(zhì)沉積在 加熱的固態(tài)基體表面，進(jìn)而制得固體材料的工藝技 術(shù)。它本質(zhì)上屬于原子范疇的氣態(tài)傳質(zhì)過程。Dato等報(bào)道了一種新型等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉 積法，乙醇液滴作為碳源，利用Ar等離子體合成石 墨烯，極大地縮短了反應(yīng)時(shí)間。Dato A , Radmilovic V , Lee Z, Phillips J , Frenklach M. Na

12、no Lett. 2008,8(7):2012-20162013-12-5372013-12-539氧化石墨還原法化學(xué)氣相沉積法優(yōu)點(diǎn)：成本較低、高效、環(huán)保，并且能夠大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)不足：容易導(dǎo)致一些物理、化學(xué)性能的損失優(yōu)點(diǎn)：可制備出而積較大的石墨烯不足：成本較高，工藝復(fù)雜剝后 現(xiàn)然 實(shí)飾 地修 好行。 更進(jìn)法 九<方 前墨的 卸石原 德坤W- 再審一 鞠K 確T 破御行 了,0進(jìn) 為離再化學(xué)修飾主要包括3種：共價(jià)鍵修飾J非共價(jià)鍵修飾I金屬顆粒及金屬離子修飾共價(jià)鍵修飾SDBS-wrapped GO二一 3a5ft* b R g I6a.bR-N0>R1) N；H. 卜bQpH 二1Q

13、Rg 24 hSb5 bZa.bRCHjBabRArHFJ石墨烯上的輕基作為活性位點(diǎn)也可以與多種聚合物通過共價(jià)鍵結(jié)合。Lomeda J R，Doyle C D , Tour J M, et al . J Am. Chem. Soc. 2008,130 (48): 16201-162062013-12-541非共價(jià)鍵修飾分散 小分 的是石子到 石非 與分Xu Y X Bai H , Lu GW, Li C，Shi G Q J Am. Chem. Soc. 2008,130(18):5856 5857金屬顆粒及金屬罔子修飾 Samulski等用鉗納米顆粒修飾石墨烯，鉗作為阻隔基團(tuán)，可 降低石墨烯層

14、間的肚兀堆積作用，得到的石墨烯比表面積較 大(862m2/g)o這種鉗修飾的石墨烯可以作為超級(jí)電容器 或燃料電池電極。其他金屬顆粒也可用于修飾石墨烯O 鐵磁性的Ni、Co、Fe等修飾后得到的復(fù)合物可屏蔽電 磁干擾； Pd、Au修飾后得到的復(fù)合物可作為超靈敏的化學(xué)傳感 器，用于檢測(cè)I!?、NO等。Si Y 6 Samulski E T. Chem. Mater. 2008,20 : 6792 67972013-12-543合有等研具基家 樣竣學(xué) 4UU LHN339雙層石墨烯可降低元器件電噪聲美國(guó)IBM公司T J 沃森研究 中心的科學(xué)家，最近攻克了在利用石墨構(gòu)建納米電路方面最令人困擾的難題，即通過將兩層石墨烯片疊加，可以將元器件的電噪聲降低10倍，由此可以大幅改善晶體管的性能，這將有助于制造出比硅晶體管速度快、體積小、能耗低的石墨I(xiàn)BM的科學(xué)家們笈現(xiàn)，相對(duì)于單層石墨烯，雙層石墨烯可將信噪 比提升10倍烯晶體管。2013-12-540石墨烯在儲(chǔ)氫/甲烷中的應(yīng)用Dimitrakakis利用石墨烯和碳納米管設(shè)計(jì)了 一個(gè)三維儲(chǔ)氫模 型，如果這種材料摻入鋰離子，其在常壓下儲(chǔ)氫能力可以達(dá) 到41g/L。因此，石墨烯這種新材料的出現(xiàn)，為人們對(duì)儲(chǔ)氫 /甲烷材料的設(shè)計(jì)提供了一種新的思