現(xiàn)代材料化學(xué)論文

1、碳基復(fù)合材料的合成及應(yīng)用 姓名：陳娟 專業(yè)：物理化學(xué) 學(xué)號(hào)：201520651摘要 本文講述了碳基復(fù)合材料的發(fā)展,細(xì)述了石墨烯、碳納米管、富勒烯和石墨炔四種碳基復(fù)合材料的合成方法及應(yīng)用。關(guān)鍵詞 碳基復(fù)合材料,石墨烯 ,碳納米管,富勒烯,石墨炔 復(fù)合材料是由兩種或者兩種以上的不同物質(zhì)通過一定的途徑組合在一起而形成另外一種多相材料。一般在復(fù)合材料中有一相為連續(xù)的，稱作基體，另外一相是分散的，稱作增強(qiáng)材料。復(fù)合材料集中了基體和增強(qiáng)材料的優(yōu)點(diǎn)，表現(xiàn)出獨(dú)特的性質(zhì)。 顧名思義，碳基復(fù)合材料就是以碳纖維（織物）或碳化硅等陶瓷纖維（織物）為增強(qiáng)體，以碳為基體的復(fù)合材料。它是六十年代發(fā)展起來(lái)的一種新型耐高溫材料

2、，是由增強(qiáng)碳和基體碳所組成的多相材料。增強(qiáng)碳可以是不同類型的碳（或石墨）纖維及其織物，在碳/碳復(fù)合材料中起著骨架和增強(qiáng)劑的作用；基體碳起粘結(jié)作用，目前的基體碳可以是樹脂碳、瀝青碳和沉積碳。碳碳復(fù)合材料保持了碳（石墨）的優(yōu)點(diǎn)，克服了碳（石墨)的缺點(diǎn)，大大提高了韌性和強(qiáng)度，降低了熱膨脹系數(shù)，具有比重小、化學(xué)穩(wěn)定性高、耐熱性好（非氧化性氣氛）、導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能好、耐腐蝕性好等優(yōu)點(diǎn)。 碳基復(fù)合材料具有兩種或幾種復(fù)合材料的優(yōu)點(diǎn)，是單一材料無(wú)法比擬的，所以碳基復(fù)合材料比單一材料的應(yīng)用范圍更大，這也使得人們對(duì)碳基復(fù)合材料產(chǎn)生濃厚的研究興趣。尤其近年來(lái)，以石墨烯和氮摻雜石墨烯為代表的新型碳材料的發(fā)現(xiàn)，使碳材料和

3、碳基復(fù)合材料會(huì)以更獨(dú)特的性質(zhì)和廣泛的應(yīng)用成為材料之星。1.1發(fā)展 碳/碳復(fù)合材料大約于1958年問世。開始是錢斯沃特飛機(jī)公司宇航分公司的實(shí)驗(yàn)人員在研究酚醛樹脂基復(fù)合材料時(shí)，由于事故而偶然發(fā)現(xiàn)的。大約在同一時(shí)期，美國(guó)聯(lián)合碳化公司（UCC）就用石墨布增強(qiáng)樹脂，經(jīng)固化、碳化和石墨化后，制成了第一塊狀碳/碳復(fù)合材料，并作為商品出售。以美國(guó)的情況為代表碳/碳復(fù)合材料的發(fā)展大體上可以分為三個(gè)階段：第一階段：自1958年到六十年代中期為初始發(fā)展階段。主要是對(duì)碳/碳復(fù)合材料的用的碳纖維、碳/碳基本復(fù)合工藝進(jìn)行的研究工作；找到了提高碳纖維彈性模量和強(qiáng)度的技術(shù)關(guān)鍵；1965年又開始把化學(xué)氣相沉積方法引入碳/碳的復(fù)

4、合工藝中。第二階段：六十年代中期至七十年代初期是碳/碳復(fù)合材料的開始應(yīng)用階段。在此期間對(duì)增強(qiáng)碳、基體碳和復(fù)合工藝都繼續(xù)做了大量工作；開始把碳/碳復(fù)合材料作為防熱和熱結(jié)構(gòu)材料應(yīng)用于火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴管、衛(wèi)星、飛船等尖端技術(shù)領(lǐng)域。第三階段：自七十年代初期至今是碳/碳復(fù)合材料的發(fā)展提高階段。材料的性能得到進(jìn)一步的提高；較成功地解決了材料的各向異性問題；研制成三向正交細(xì)編碳/碳復(fù)合材料；而且對(duì)碳/碳復(fù)合材料的應(yīng)用性能（抗應(yīng)力波、抗熱震性等）和微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究；碳/碳復(fù)合材料作為戰(zhàn)略核武器頭部防熱材料的研究更加廣泛和深入，MK-12A碳/碳鼻錐成功地用作美國(guó)第三代洲際導(dǎo)彈彈頭防熱材料。1.2制備浸漬法：即用

5、增強(qiáng)體浸漬熔融的石油或煤瀝青，再經(jīng)碳化和石墨處理，它的基體是石墨碳，呈層狀條帶結(jié)構(gòu)，性能是各向異性的。還有用增強(qiáng)體浸漬糠醇或酚醛等熱固性樹脂，只經(jīng)碳化處理，它的基體是玻璃碳，即無(wú)定型碳結(jié)構(gòu)，性能是各向同性的。CVD法：即把烴類化合物的熱解碳沉積在增強(qiáng)體上來(lái)進(jìn)行復(fù)合，這種方法的碳基體是類似玻璃碳的熱解碳。碳/碳復(fù)合材料不耐氧化，所以有時(shí)需要加抗氧化涂層。2石墨烯石墨烯中碳原子的雜化形式為sp2，以?shī)A角為120度的共價(jià)鍵與其它碳原子連接成六角狀的層狀蜂窩結(jié)構(gòu)，此外每個(gè)碳原子各有一個(gè)垂直于層平面的pz軌道，可形成貫穿于全層的離域大，層中碳原子的配位數(shù)為3，相鄰碳原子間的鍵長(zhǎng)為0.142nm。 石墨烯

6、是零維富勒烯，一維碳納米管和三維石墨的構(gòu)筑基。石墨烯平面晶格中如果出現(xiàn)五元環(huán)則會(huì)使石墨烯平面彎曲，當(dāng)有12個(gè)以上的五元環(huán)時(shí)就能構(gòu)成富勒。碳納米管可以看作由石墨烯卷曲成筒構(gòu)成；而石墨則可看作由石墨烯通過范德華力層層堆垛構(gòu)成。2.1 石墨烯的合成 石墨烯具有許多優(yōu)異的物理性能，對(duì)于如何大規(guī)模，高質(zhì)量的制備出單層石墨烯是現(xiàn)在科學(xué)家面臨的一個(gè)重要的研究?jī)?nèi)容。到目前為止制備石墨烯的主要方法有：機(jī)械剝離法、化學(xué)氣相沉積法、外延生長(zhǎng)法、化學(xué)氧化還原法和其他方法1。2.1.1 機(jī)械剝離法1-3 機(jī)械剝離法是由英國(guó)曼徹斯特大學(xué)的Geim教授小組于2004年開發(fā)的一種制備石墨烯的方法。他們采用透明膠帶反復(fù)粘貼石墨

7、，然后再將帶有石墨薄片的膠帶粘貼到硅片等基體上，接著用丙酮等溶解膠帶，進(jìn)而將單層和少層石墨烯轉(zhuǎn)移到硅片等基體上2。 除了采用微機(jī)械剝離法制備石墨烯，還有一種比較成熟的機(jī)械剝離法液相超聲剝離法。液相剝離法是指將本體石墨置于有機(jī)溶劑如 N-甲基吡咯烷酮（NMP）或鄰二氯苯中進(jìn)行超聲，可獲得單片層與多片層共存的石墨烯分散液1。2.1.2 化學(xué)氣相沉積法4 化學(xué)氣相沉積法的（Chemical Vapor Deposition，CVD）原理是在充滿高溫可分解的氣體（CH4，C2H2）中，通過高溫退火使得碳原子沉積在基體表面形成單層石墨烯。此方法可控并且可以大面積的制備出石墨烯。2.1.3 外延生長(zhǎng)法5,

8、6 外延生長(zhǎng)法（Epitaxial Growth）是指在超真空的條件下通過高溫加熱使得碳化硅中硅蒸發(fā)脫除，碳原子重新排列組合成石墨烯薄片。 Heer 等人7使用碳化硅作為原料，在 1300和 1.33×10-10Pa 高真空下，將硅原子從碳化硅中蒸發(fā)出來(lái)，得到了連續(xù)大面積的石墨烯薄膜。外延生長(zhǎng)法可制備高質(zhì)量的石墨烯，但控制石墨烯的層數(shù)和大面積的重復(fù)制備還存在一些問題。2.1.4 化學(xué)氧化還原法3 化學(xué)氧化還原法（Reduction of Graphene Oxide Solution）是目前應(yīng)用最為廣泛的制備石墨烯的方法，該方法所使用的原料廉價(jià)而且制備過程簡(jiǎn)單。化學(xué)氧化還原法制備石墨

9、烯有三個(gè)過程：石墨氧化剝離還原，如下圖所示。2.1.5 由碳納米管制備石墨烯納米帶1 由于二維石墨烯為零帶隙，在很多領(lǐng)域如場(chǎng)效應(yīng)晶體管等方面的應(yīng)用受到限制，研究發(fā)現(xiàn)準(zhǔn)一維的石墨烯納米帶（GNRs）具有能帶隙。通過超聲或化學(xué)剪切二維石墨烯片可制備 GNRs，但獲得的納米帶形狀不可控8。Dai 等通過化學(xué)刻蝕技術(shù)切開 MWNTs成功制備了 GNRs，首先將 WMNTs 沉積在 Si 基體上，再在 MWNTs 表面涂覆一層 300nm 的 PMMA 膜，接著利用 Ar 等離子體刻蝕 MWNTs，通過控制刻蝕時(shí)間控制 GNRs的層數(shù)，最后除去聚合物組分獲得寬度為 10-20 nm 的 GNRs。獲得的

10、 GNRs 具有半導(dǎo)體性質(zhì)，在電子工業(yè)具有廣泛的應(yīng)用前景。James 等采用高錳酸鉀和硫酸為氧化劑，在較溫和條件下，沿著一個(gè)軸心逐漸切開 MWNTs，同樣也獲得了 GNRs，其制備示意圖和機(jī)理圖如下圖所示。雖然通過氧化法制備的 GNRs 不是半導(dǎo)體，但這種方法更簡(jiǎn)單有效，容易大規(guī)模制備。2.2 石墨烯的應(yīng)用2.2.1 透明導(dǎo)電電極目前，透明導(dǎo)電電極最常使用的材料是銦摻雜的氧化錫（Indium Tin Oxide，ITO）。ITO 廣泛應(yīng)用與手機(jī)電腦的接觸板，顯示器和太陽(yáng)能電池，但是銦是貴金屬價(jià)格昂貴且回收困難。而石墨烯具有質(zhì)量輕，高強(qiáng)度，優(yōu)異的柔韌性和導(dǎo)電性等優(yōu)點(diǎn)同時(shí)由于石墨烯的結(jié)構(gòu)特殊具有更

11、高的透光性，迅速成為代替 ITO的理想材料3。Wang等人采用石墨烯作為透明導(dǎo)電薄膜應(yīng)用在太陽(yáng)能電池中，導(dǎo)電率達(dá)到了 550S/m 而且轉(zhuǎn)化效率 0.26%。北京大學(xué)劉忠范研究組通過還原修復(fù)的氧化石墨烯的方法制備石墨烯做電極，電導(dǎo)率達(dá)到了 350-410S/cm,透光率為 95%。Geng等人通過兩步還原法制備透明石墨烯導(dǎo)電膜并且應(yīng)用在有機(jī)太陽(yáng)能電池，整個(gè)器件的效率達(dá)到了 1.01%左右。2.2.2 超級(jí)電容器3,9,10 超級(jí)電容器是是介于電容器和電池之間的儲(chǔ)能器件，是傳遞能量和儲(chǔ)存能量的體系。石墨烯的比表面積非常大而且導(dǎo)電性能優(yōu)異，石墨烯在高導(dǎo)電的同時(shí)保證了掃面電壓的穩(wěn)定。石墨烯超大的比表

12、面積能夠使得電子的聚集能力提高，可以作為超級(jí)電容器的容量。使用石墨烯作為電極大大減少了充電時(shí)間而且容量提高了5-6 倍。 由于石墨烯的結(jié)構(gòu)特殊，研究人員對(duì)超級(jí)電容器做了深入的研究。Stoller等人使用單層石墨烯作為超級(jí)電容器的電極，分別在水中比電容為 135F/g 和在有機(jī)電解液中比電容為 99F/g。Le等人使用的新的方法將石墨烯溶液直接噴墨打印在鈦網(wǎng)上，然后通過熱還原法制備出石墨烯薄膜的超級(jí)電容器。經(jīng)過伏安法掃描 1000 次后，比電容從 125F/g 下降到 121F/g，損失率不到 3%。Ning 等人用模板化學(xué)沉積法制備可控結(jié)構(gòu)的石墨烯網(wǎng)，石墨烯網(wǎng)厚度有 1-2 層，比表面積有16

13、54m2/g。將石墨烯網(wǎng)作為超級(jí)電容器電極在 KOH 溶液中測(cè)試比電容達(dá)到245F/g 同時(shí) 2000 次伏安循環(huán)后還保持在 94.1%。Yoo等人制備了基于石墨烯的平面結(jié)構(gòu)的超級(jí)電容器，質(zhì)量比電容可以達(dá)到 250F/g，面積比電容高于以前的報(bào)道達(dá)到了 394F/cm2。2.2.3 傳感器3石墨烯中碳碳原子相互鏈接非常柔韌，構(gòu)成蜂窩狀的大 鍵。當(dāng)有力施加在石墨烯表面時(shí)，石墨烯表面會(huì)產(chǎn)生彎曲，但是石墨烯微觀表面的碳原子不需要通過重新排列來(lái)適應(yīng)外力的影響。而且石墨烯的結(jié)構(gòu)使得石墨烯具有優(yōu)異的導(dǎo)電性。如下圖所示，為石墨烯氣體傳感器。 在 2007 年，Novoselov教授等人成功制備了基于石墨烯的

14、傳感器，傳感器靈敏度高在短時(shí)間內(nèi)測(cè)試出電阻率。對(duì)各種氣體（CO，NH3，NO2）吸附在石墨烯上進(jìn)行有效的研究。Fowler等人采用氧化還原法制備出高質(zhì)量的石墨烯，并且成功制備出了基于石墨烯的傳感器。除了對(duì)氣體檢測(cè)外，還可以對(duì)二硝基甲苯進(jìn)行有效的檢測(cè)。Zhang等人發(fā)現(xiàn)摻雜后的石墨烯，在制備傳感器時(shí)會(huì)提高本身的靈敏性和選擇準(zhǔn)確性。在石墨烯制備過程中通過化學(xué)氣相沉積法在表面修飾上 Pd 顆粒，傳感器的對(duì) H2的檢驗(yàn)靈敏度大大提高。3 碳納米管 碳納米管中碳原子的雜化方式主要為sp2，不過筒狀彎曲結(jié)構(gòu)會(huì)導(dǎo)致量子限域和一再雜化,其中三個(gè)鍵稍稍偏離平面,而離域的軌道則更加偏向管的外側(cè)，碳納米管分為單壁碳

15、納米管(SWNTs)和多壁碳納米管(MWNTs)。3.1碳納米管的合成11 目前，單壁碳納米管的制備其產(chǎn)量只有克量級(jí),而且要控制得到所需結(jié)構(gòu)的單壁碳納米管仍比較困難。相對(duì)而言，多壁碳納米管的制備技術(shù)則較為成熟，產(chǎn)量可達(dá)/h，并可控制碳管的直徑和生長(zhǎng)取向。電弧法、激光剝蝕法、氣相沉積法是目前研究較為深入應(yīng)用較為廣泛的方法。3.1.1 電弧法:實(shí)驗(yàn)室用電弧法合成裝置一般是在低于大氣壓的Ar氣水冷腔體里，水平或垂直放置兩根直徑為6-12mm、間隙為1-4mm的石墨棒作電極，在電極間直流放電產(chǎn)生電弧。電弧法生產(chǎn)的碳納米管較其他方法生產(chǎn)的碳納米管直而且缺陷少,因此具有更高的機(jī)械強(qiáng)度和更好的導(dǎo)熱導(dǎo)電性能。

16、用電弧法制備單壁碳納米管時(shí)需要在石墨棒內(nèi)鉆一個(gè)軸向的孔洞，里面填充致密的金屬和石墨混合物粉體作陽(yáng)極。目前已有多種金屬或混合物催化劑來(lái)填充石墨棒，但鎳/釔和鈷/鎳催化劑使用更為普遍。3.1.2 激光剝蝕法:激光剝蝕法是制備單壁碳納米管的有效方法。它是將一根金屬催化劑與石墨混合的石墨靶放于石英管中間,該管則放于一爐內(nèi)加熱。當(dāng)爐溫升高到一定溫度時(shí)(如1473K)，通入惰性氣體，并將一束激光聚焦于石墨靶上。石墨靶在激光的照射下生成氣態(tài)碳，氣態(tài)碳和催化劑粒子被氣流從高溫區(qū)帶到低溫區(qū)，在催化劑的作用下生成碳納米管。3.1.3 化學(xué)氣相沉積法:通過電阻或電感加熱器、高溫爐或紅外燈以及等離子體等加熱方式使含碳

17、氣體裂解產(chǎn)生自由碳基，并在載有Fe、Co、Ni等催化劑顆粒的基體上生長(zhǎng)出碳納米管。該方法具有成本低、產(chǎn)量大、實(shí)驗(yàn)條件易于控制等優(yōu)點(diǎn)，是最有希望實(shí)現(xiàn)大量制備高質(zhì)量多壁碳納米管的方法。在后來(lái)的研究中發(fā)現(xiàn)此方法合成的碳納米管上端或下端常存有催化劑顆粒,并由此提出了兩種碳納米管生長(zhǎng)模型：底端生長(zhǎng)和頂端生長(zhǎng)。反應(yīng)體系產(chǎn)生的自由碳在催化劑粒子中溶解和擴(kuò)散，當(dāng)達(dá)到飽和時(shí)，碳就會(huì)以管的形式析出。如果催化劑顆粒與基體表面的粘合力比較強(qiáng)，碳會(huì)從粒子的上表面析出，即底端生長(zhǎng)模型；如果催化劑顆粒與基體的粘合力較弱，碳會(huì)從粒子的下表面析出，并將催化劑顆粒不斷提升,即頂端生長(zhǎng)模型。3.1.4 密閉體系中的催化/還原熱解法

18、: 通常以高壓釜為反應(yīng)容器，在400-700/C下通過催化/還原熱解有機(jī)分子來(lái)合成碳納米管。此方法設(shè)備簡(jiǎn)單，操作方便。3.2碳納米管的應(yīng)用6,113.2.1 場(chǎng)發(fā)射 碳納米管已被證實(shí)具有很好的場(chǎng)發(fā)射性能，可以在低于1v/m的電場(chǎng)強(qiáng)度下觀察到場(chǎng)發(fā)射現(xiàn)象，而電流強(qiáng)度可到達(dá)1A/cm2。根據(jù)碳納米管的本性、微觀排列、制備過程和發(fā)射器的結(jié)構(gòu)要求，碳納米管場(chǎng)發(fā)射器可以制成多種構(gòu)造形式。然而，單根碳納米管場(chǎng)發(fā)射器件的可能應(yīng)用僅限于對(duì)電子源尖銳性要求非常高的體系，如高分辨電子顯微鏡和平版印刷技術(shù)。相對(duì)而言，碳納米管膜則具有極大的技術(shù)應(yīng)用潛力，它兼具友好的發(fā)射性能，又易于制備和放量生產(chǎn)。其場(chǎng)發(fā)射器在真空電子器

19、件、微波放大器、場(chǎng)發(fā)射顯示器以及X射線管等領(lǐng)域具有十分廣闊的應(yīng)用前景。3.2.2傳感碳納米管是獨(dú)特的一維量子線并具有極高的表面-體積比，因此其電學(xué)性質(zhì)對(duì)分子吸附非常敏感。尤其是在半導(dǎo)體性的單壁碳納米管中，所有碳原子均暴露在表面以至于由分子吸附所誘導(dǎo)產(chǎn)生的極小部分電荷都足以使局部載流子耗盡,造成很大的電導(dǎo)變化?；诖耍藗兗簶?gòu)筑了碳納米管基的感應(yīng)元件和轉(zhuǎn)換器，用于氣體分子和生物分子的檢測(cè)。如,H.J.Dai等利用聚乙烯亞胺包覆的碳管研發(fā)了一種高靈敏、高選擇性的碳納米管傳感器。Woollcy等報(bào)道了用單壁碳納米管AFM針尖直接制作千堿基DNA單元型的方法，使人們更加深刻地了解了基因?qū)Π┌Y和心臟病等

20、常見病的作用。3.2.3 電化學(xué)碳納米管的直徑在納米尺度，管壁層間距為0.34nm，H2分子的動(dòng)力學(xué)直徑為0.289nm，因此，理論上單壁碳管的中空內(nèi)腔和管束間隙、多壁碳管的內(nèi)腔和層間間隙都可作為吸氫位。因而，碳納米管儲(chǔ)氫研究引起了廣泛關(guān)注。A.C.Dllfon等利用程序升溫脫附法推斷出直徑為1.2nm、純度為100%單壁碳管的儲(chǔ)氫量可達(dá)5-10wt%。Rchen等通過對(duì)多壁碳納米管摻雜金屬Li和K將儲(chǔ)氫量分別提高到20wt%和14wt%，但其化學(xué)穩(wěn)定性和放氫溫度仍受到實(shí)際條件限制。4 富勒烯富勒烯中碳原子的雜化方式介于sp2與sp3之間。富勒烯族中最早發(fā)現(xiàn)并具有代表性結(jié)構(gòu)的是C60，它是由2

21、0個(gè)六元環(huán)和12個(gè)五元環(huán)拼接而成的20面體,直徑為0.7Inm。 富勒烯是碳元素中一種熱力學(xué)不穩(wěn)定但動(dòng)力學(xué)較穩(wěn)定的亞穩(wěn)態(tài)物質(zhì)。從能量角度看，石墨中碳原子的能量為零，而富勒烯中碳原子的能量高達(dá)0.45eV，因此，要使石墨變成富勒烯必須從外界施加很高的能量。4.1 富勒烯的合成114.1.1 碳蒸發(fā)法: 以人造/天然石墨或者高含碳量煤等為原料,在惰性氣體氛圍中通過電弧、電阻加熱、電子束輻照、激光蒸發(fā)、真空熱處理、等離子體、太陽(yáng)能等途徑將碳原子蒸發(fā)，在不同環(huán)境氣壓及不同類型金屬催化劑的存在下,，蒸發(fā)后的碳原子再次簇合形成富勒烯。4.1.2 催化熱解含碳?xì)怏w、烴類及有機(jī)化合物: 以Fe、Co、Ni等金

22、屬作為催化劑，通過CO的歧化、C2H2或丙烯等氣相裂解來(lái)合成。此外，二茂鐵等有機(jī)金屬化合物可直接熱解產(chǎn)生富勒烯。4.1.3 苯火焰燃燒法:在火焰溫度1800K的條件下，苯經(jīng)氫氣稀釋后燃燒可到C60和C70，這種方法對(duì)制備C70非常有效，且易于工業(yè)生產(chǎn)。4.1.4含碳無(wú)機(jī)物的轉(zhuǎn)化： 在基底溫度為600/C條件下，通過激光照射可在晶化SiC里面生成尺寸較大、缺陷較少的富勒烯。4.2 富勒烯的應(yīng)用4.2.1 超導(dǎo)體材料 C60分子本身是不導(dǎo)電的絕緣體，但當(dāng)堿金屬嵌人與空隙后，C60與堿金屬的系列化合物將轉(zhuǎn)變?yōu)槌瑢?dǎo)體，如K3C60具有很高的超導(dǎo)臨界溫度。與氧化物超導(dǎo)體比較，C60系列超導(dǎo)體具有完美的三

23、維超導(dǎo)性，電流密度大，穩(wěn)定性高，易于展成線材等優(yōu)點(diǎn),是一類極具有價(jià)值的新型超導(dǎo)材料。4.2.2 新型高分子材料 由于C60特殊籠狀結(jié)構(gòu)及功能，將與做為新型功能基團(tuán)引人高分子體系，得到具有優(yōu)異導(dǎo)電、光學(xué)性質(zhì)的新型功能高分子材料。Y.wang報(bào)導(dǎo)C60/C70的混合物摻入發(fā)光高分子材料聚乙烯咔唑(PVK)中得到新型高分子光電導(dǎo)體，其光導(dǎo)性能可與某些最好的光導(dǎo)材料相媲美。這種光導(dǎo)材料在靜電復(fù)印、靜電成像以及光探測(cè)等技術(shù)方面有廣泛應(yīng)用。4.2.3 其它方面應(yīng)用C60F60做為“分子滾球”和“分子潤(rùn)滑劑”在高新技術(shù)中起著重要作用。將鋰原子嵌入碳籠內(nèi)有可能制成高效能鋰電池。碳籠內(nèi)嵌入稀土元素銪有可能成為新

24、型稀土發(fā)光材料。水溶性铔的C60衍生物有望做為新型核磁造影劑。C60及其衍生物可能成為新型催化劑和新型納米級(jí)的分子導(dǎo)線，分子吸管和晶須增強(qiáng)復(fù)合材料。C60與一環(huán)糊精、環(huán)芳烴形成的水溶性主客體復(fù)合物將在超分子化學(xué)及仿生化學(xué)領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。5 石墨炔石墨炔是由 sp 和 sp2和 sp3三種雜化價(jià)態(tài)形成的碳同素異形體，通過 1，3-二炔鍵將苯環(huán)共軛連接起來(lái)，具有二維平面網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。石墨炔的特殊結(jié)構(gòu)使其具有豐富的碳化學(xué)鍵，因?yàn)楣曹楏w系大以及寬達(dá) 4.1913 Å的面間距，石墨炔具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性并表現(xiàn)出半導(dǎo)體性能。5.1 石墨炔的合成12利用六炔基苯在銅片上催化發(fā)生交叉偶聯(lián)反應(yīng)，成功地在

25、銅片表面合成出大面積石墨炔的（graphdiyne）薄膜，該薄膜有序度較高、缺陷較少，薄膜電導(dǎo)率為 10-3 -10-4 S/m。5.2 石墨炔的應(yīng)用13-15 Du Hailiang等將石墨炔納米片摻雜在有機(jī)太陽(yáng)能電池的光陽(yáng)極內(nèi)，提升了電池的光電轉(zhuǎn)化效率。 在光催化領(lǐng)域，WangShuo 等人報(bào)道了一種石墨炔復(fù)合 P25 的新型光催化劑，該復(fù)合催化劑催化降解亞甲基藍(lán)（MB）的效果優(yōu)于傳統(tǒng)的 P25 及石墨烯復(fù)合 P25催化劑。5.2.1 氣體分離 石墨炔具有豐富的孔洞結(jié)構(gòu)，使其成為實(shí)現(xiàn)各種氣體分離需求的理想分子篩，例如，它可作為合成氣中( H2、CH4和 CO 的混合物)分離H2的超薄分離膜

26、，是清潔能源方面氫氣提純的潛在應(yīng)用材料。5.2.2 海水淡化利用石墨炔納米多孔膜進(jìn)行海水脫鹽被廣泛地認(rèn)為是一種高能效的方法，可能優(yōu)于現(xiàn)有的商業(yè)技術(shù)，如反滲透 Buehler 等發(fā)現(xiàn)石墨炔孔洞能允許水分子無(wú)障礙滲透，并完全排斥鹽離子通過的碳“納米網(wǎng)”，這一優(yōu)越的特性是實(shí)現(xiàn)海水淡化的理想材料。 碳納米網(wǎng)可以用原生石墨炔的單層膜來(lái)制造，做為二維碳的同素異形體，石墨炔其高度惰性，穩(wěn)定，多孔，具有確定的三角形原子孔，單原子厚的網(wǎng)狀纖維結(jié)構(gòu)。5.2.3 儲(chǔ)氫材料金屬摻雜石墨炔具有優(yōu)良的性質(zhì) 因其擁有sp2的石墨烯和富勒烯所不具備的附加的面內(nèi) 共軛，石墨炔對(duì)鈣顯示增強(qiáng)的結(jié)合能，使得它們可被優(yōu)化為 H2存儲(chǔ)材料。Liu 等預(yù)測(cè)地鋰修飾的石墨炔也可作為優(yōu)秀的氫氣儲(chǔ)