低维碳纳米材料结构性能及应用.pdf

低维碳纳米材料结构性能及应用
姓名：李雄杰学号：20071050198专业：物理学

摘要：：纳米材料被誉为21世纪的重要材料，而作为新型纳米材料的碳纳米材料因其本身所拥
有的潜在优越性，在化学、物理学及材料学领域具有广阔的应用前景。本文依据目前碳纳米材料的
研究发展现状，阐述了碳纳米材料碳60、碳纳米管及石墨烯的结构性能，并对其应用特性进行了初
步探讨和分析。
关键词：低维碳纳米材料；结构性能；应用特性

1.引言

碳纳米材料是指材料微观结构在0-3维内其长度不超过100nm；由碳原子组成，材料
中至少有一维处于纳米尺度范围0-100nm；具有纳米结构。它有四种基本类型：

1.纳米粒子原子团如C60(零维)2.碳纳米纤维和碳纳米管(1维)

3.碳纳米层或膜材料如石墨烯(2维)4.块体纳米材料如金刚石(3维)

由于碳纳米材料的独特结构，使其具有不同于常规材料和单个分子的性质如量子尺
寸效应、表面效应、宏观量子隧道效应等，从而导致了碳纳米材料的力学性能、电磁
性能、光学性能、热学性能等的改变，并使之在电子学、光学、化工陶瓷、生物、医
药、日化诸多方面有重要价值，得到广泛的应用。由于石墨，金刚石并不是常用的碳

纳米材料，本文主要讨论的是C60，碳纳米管和石墨烯的结构性能及应用。

2.C60的结构性能及应用

2.1C60的结构

C60具有笼形结构，在物理及化学性质上可看作三维的芳香化合物，分子立体构型属
1
于D5h点群对称性，杂化类型为sp2．28有一定的sp3性质，三维大P键共轭形成碳笼。

C60中20个正六边形和12一‘正五边形构成圆球形结构，共有60个顶点，分别由60个碳
原子所占有，经证实它们属于碳的第三种同素异形体，命名为富勒烯(Fullerene)，因
酷似足球又称作足球烯

2.2C60的主要性质及应用

C60具有缺电子烯的性质，同时它又兼备给电子能力，六元环间的6：6双键为反应的
活性部位，可发生诸如氢化、卤化、氧化还原、环加成、光化与催化及自由基加成等

多种化学反应，并可参与配合作用。C60在超导、磁性、光学、催化、材料及生物等方
面表现出优异的性能，对它的研究已广泛开展。
（1）超导体

超导现象是大约10年前第一次在一种电子搀杂的富勒烯C60中发现的。C60分子本身是不

导电的绝缘体，但当碱金属嵌人C60分子之间的空隙后，C60与碱金属的系列化合物将转

变为超导体，如K3C60即为超导体，且具有很高的超导临界温度。
（2）光学特性

由于C60分子中存在的三维高度非定域(电子共轭结构使得它具有良好的光学及非线

性光学性能)。C60光激发后很容易形成电子一空穴对从而产生光电子转移，C60还具有较

大的非线性光学系数和高稳定性等特点，可以预计C60将是很好的光电导材料、新型非
线性光学材料，有望在光计算、光记忆、光信号处理及控制等方面有所应用。
（3）功能材料的制备

由于C60特殊笼形结构及功能，将C60作为新型功能基团引入高分子体系，得到具有优
异导电、光学性质的新型功能高分子材料。将富勒烯丰富的电子和电化学性质与富电
子的过渡金属配合物Ru—bipy，Ru—terpy，二茂铁等电活性物种结合可用于新型分子
电子器件的制备。华中科技大学刘晓国等人将纳米富勒烯与丙烯酸(酯)单体在引发剂
作用下共聚，用该聚和物与有机胺中和成盐使其水性化，制得水溶性纳米富勒烯一丙
烯酸(酯)高分子成膜材料，发现富勒烯对丙烯酸(酯)聚和物具有独特的成膜改性功能。
（4）新型催化剂

C60分子的电子亲和力较高(2．6—2．8ev)易于通过分子内或分子间的电子授受作用而
发生氧化还原反应，因此多数富勒烯或其衍生物的金属配合物均具有良好的催化性能，

如C60Pdn可在常温下催化苯乙炔的氢化，C60(Pt(Hh3)2)、C60Pm对端烯烃的硅氢加成有
良好的催化活性。
（5）生物活性材料

Friedman等人报道了水溶性二氨基二酸二苯基C60衍生物的合成方法，并证明它有
抑制}{IVP活性的功效，而艾滋病研究的关键是有效抑制的活性。Nakajima等人将他们
合成的带聚乙二醇的C6o~t生物与HelaS3细胞共同培养并用光照射，结果呈现细胞毒
性。

3.碳纳米管的结构性能及应用

3.1碳纳米管的结构
碳纳米管是指由类似石墨的六边形网格组成的管状物,可以看作是石墨片层绕中
心轴按一定的螺旋角卷曲而成。管子一般由单层或多层组成,相应的纳米碳管就称为单
壁纳米碳管(SWNT)和多壁纳米碳管(MWNT)。碳纳米管的直径在几微米到几十纳米之
间,长度可达数微米,因此有较大的管径比。资料[1]表明:碳纳米管的晶体结构为密排六

2
方(hcp),a=0.24568nm,c=0.6852nm,c/a=2.