神奇的纳米碳材料

苏州纳米技术与纳米仿生研究所 神奇的纳米碳材料神奇的纳米碳材料 陈名海陈名海 2008.5.222008.5.22 苏州纳米技术与纳米仿生研究所 引言：无处不在的碳引言：无处不在的碳 碳是自然界中最常见的元素之一，它以多种形式广泛存在于大气和地壳之中。碳单碳是自然界中最常见的元素之一，它以多种形式广泛存在于大气和地壳之中。碳单 质很早就被人认识和利用，碳的一系列化合物质很早就被人认识和利用，碳的一系列化合物————有机物更是生命的根本。有机物更是生命的根本。 现在人类使用的能源绝大部分都是基于碳能源的利用。现在人类使用的能源绝大部分都是基于碳能源的利用。 碳≠炭 苏州纳米技术与纳米仿生研究所 单质碳的常见形式单质碳的常见形式 1. 1. 金刚石金刚石（（diamonddiamond）） 最为坚固的一种碳结构，其中的碳原子以晶最为坚固的一种碳结构，其中的碳原子以晶 体结构的形式排列，每一个碳原子与另外四体结构的形式排列，每一个碳原子与另外四 个碳原子紧密键合，最终形成了一种硬度个碳原子紧密键合，最终形成了一种硬度 大、活性差的固体。大、活性差的固体。 金刚石的熔点超过金刚石的熔点超过35003500℃℃，相当于某些恒星，相当于某些恒星 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 面温度。表面温度。 2.2.石墨石墨（（graphitegraphite）） 石墨中碳原子以平面层状结构键合在一起，石墨中碳原子以平面层状结构键合在一起， 层与层之间键合比较脆弱，因此层与层之间层与层之间键合比较脆弱，因此层与层之间 容易被滑动而分开。容易被滑动而分开。 3.3.富勒烯富勒烯（（fullarenefullarene）） 又称为巴基球。富勒烯中的碳原子是以球状又称为巴基球。富勒烯中的碳原子是以球状 穹顶的结构键合在一起。穹顶的结构键合在一起。 苏州纳米技术与纳米仿生研究所 单质碳的其他形式单质碳的其他形式 无定形碳无定形碳（（AmorphousAmorphous，不是真的异形，不是真的异形 体体,,内部结构是石墨）内部结构是石墨） 碳纳米管碳纳米管（（Carbon Carbon nanotubenanotube）） 六方金刚石六方金刚石（（LonsdaleiteLonsdaleite，与金刚石有，与金刚石有 相同的键型，但原子以六边形排列，也相同的键型，但原子以六边形排列，也 被称为六角金刚石）被称为六角金刚石） 赵石墨赵石墨（（ChaoiteChaoite，石墨与陨石碰撞时产，石墨与陨石碰撞时产 生，具有六边形图案的原子排列）生，具有六边形图案的原子排列） 汞黝矿结构（汞黝矿结构（SchwarziteSchwarzite，由于有七边形，由于有七边形 的出现，六边形层被扭曲到的出现，六边形层被扭曲到““负曲率负曲率””鞍鞍 形中的假想结构）形中的假想结构） 纤维碳纤维碳（（Filamentous carbonFilamentous carbon，小片堆成，小片堆成 长链而形成的纤维）长链而形成的纤维） 碳气凝胶碳气凝胶（（Carbon Carbon aerogelsaerogels，密度极小，密度极小 的多孔结构，类似于熟知的硅气凝胶）的多孔结构，类似于熟知的硅气凝胶） 碳纳米泡沫碳纳米泡沫（（Carbon Carbon nanofoamnanofoam，蛛网，蛛网 状，有分形结构，密度是碳气凝胶的百状，有分形结构，密度是碳气凝胶的百 分之一，有铁磁性）分之一，有铁磁性） 苏州纳米技术与纳米仿生研究所 最硬的材料－金刚石最硬的材料－金刚石 •• 十级硬度从小到大依次为：①滑石；②石膏；③方解石；④萤石；⑤十级硬度从小到大依次为：①滑石；②石膏；③方解石；④萤石；⑤ 磷灰石；⑥长石；⑦石英；⑧黄玉；⑨刚玉；⑩金刚石。磷灰石；⑥长石；⑦石英；⑧黄玉；⑨刚玉；⑩金刚石。 •• 指甲硬度约为指甲硬度约为2.02.0～～2.52.5，铜钥匙为，铜钥匙为3.03.0，小钢刀为，小钢刀为5.05.0～～5.55.5，玻璃为，玻璃为6.06.0。。 世界上最大的一颗金刚石，是1905年 威尔斯上尉在南非（阿扎尼亚）的兰 是瓦普列米尔矿山发现的“库利南钻 石”，重3024.75克拉。约合605克（5 克拉等于一克）。其中最大的一颗重 530.20克拉，琢磨成74面， 定名为 “非洲之星”，镶在英王王冠上。 苏州纳米技术与纳米仿生研究所 强度最高的纤维－碳纳米管强度最高的纤维－碳纳米管 •• 碳纳米管的抗拉强度达到碳纳米管的抗拉强度达到5050～～200GPa200GPa，比同体积，比同体积 钢的强度高钢的强度高100100倍，重量却只有后者的倍，重量却只有后者的1/61/6到到1/71/7。。 •• 弹性模量可达弹性模量可达1TPa1TPa，与金刚石的弹性模量相当，，与金刚石的弹性模量相当， 约为钢的约为钢的55倍。倍。 •• 具有理想结构的单层壁的碳纳米管，其抗拉强度具有理想结构的单层壁的碳纳米管，其抗拉强度 约约800GPa 800GPa 苏州纳米技术与纳米仿生研究所 纳米碳材料纳米碳材料 •• 碳纳米管碳纳米管 •• 富勒烯富勒烯 •• 纳米多孔碳材料纳米多孔碳材料 苏州纳米技术与纳米仿生研究所 碳纳米管的发现碳纳米管的发现 19851985年，英国萨塞克斯大学的波谱学家克罗托（年，英国萨塞克斯大学的波谱学家克罗托（H. W. H. W. KrotoKroto）和美国莱斯大学斯莫利）和美国莱斯大学斯莫利 Richard E. Smalley Richard E. Smalley （（19961996 年诺贝尔化学奖获得者）发现了富勒烯。年诺贝尔化学奖获得者）发现了富勒烯。 19911991年年11月，日本筑波月，日本筑波NECNEC实验室的物理学家饭岛澄男实验室的物理学家饭岛澄男 （（IijimaIijima SumioSumio）使用高分辨率分析电镜从电弧法生产的碳）使用高分辨率分析电镜从电弧法生产的碳 纤维中发现多壁碳纳米管。纤维中发现多壁碳纳米管。(Multi(Multi--walled Carbon walled Carbon NanotubesNanotubes) ) 19931993年，美国年，美国IBMIBM公司公司AlmadenAlmaden实验室实验室BethuneBethune等人和等人和IijimaIijima 同时报道了观察到单壁碳纳米管同时报道了观察到单壁碳纳米管(Single(Single--walled Carbon walled Carbon NanotubesNanotubes) ) 苏州纳米技术与纳米仿生研究所 碳纳米管的结构碳纳米管的结构 碳纳米管又叫巴基管，由单层或多层石墨片绕碳纳米管又叫巴基管，由单层或多层石墨片绕 中心按一定角度卷曲而成的无缝、中空纳米管中心按一定角度卷曲而成的无缝、中空纳米管 单壁碳纳米管 多壁碳纳米管 不同旋转角度的碳纳米管模型和多壁碳纳米 管的透射电子显微镜照片 苏州纳米技术与纳米仿生研究所 单壁碳纳米管的特性单壁碳纳米管的特性 微芯片的金属导线在600-1000 oC熔化真空稳定至2800oC，空气750 oC高温稳定性 金刚石6000W·(m·K)-1室温热导率有望达到6000W·(m·K)-1热导 铝尖端发光需要50-100V·um-2，且发光 时间有限 电极间隔1um时，在1-3V可以激 发场发射 铜线载1000kA·cm-2时即烧毁估计1GA·cm-2载流容量 金属和碳纤维在晶界处断裂可大角度弯曲不变形，回复原形抗弯强度 高强度合金钢2GPa45 GPa抗拉强度 铝的密度2.9 g·cm-31.33-1.40 g·cm-3密度 电子刻蚀可以产生50nm宽，几纳米厚 的纳米线直径0.6-1.8 nm尺寸 比较单壁碳纳米管特性 苏州纳米技术与纳米仿生研究所 碳纳米管的应用－力学碳纳米管的应用－力学 ¾¾超强纤维超强纤维 碳纳米管具有弹性高、密度低、绝热碳纳米管具有弹性高、密度低、绝热 性好、强度高、隐身性优越、红外性好、强度高、隐身性优越、红外 吸收性好、疏水性强等优点，它可吸收性好、疏水性强等优点，它可 以与普通纤维混纺来制成防弹保暖以与普通纤维混纺来制成防弹保暖 隐身的军用装备。隐身的军用装备。 太空电梯构想图 ))美国洛斯阿拉莫美国洛斯阿拉莫 斯国家实验室合成斯国家实验室合成 的最强碳纳米管纤的最强碳纳米管纤 维。维。 苏州纳米技术与纳米仿生研究所 碳纳米管的应用－力学碳纳米管的应用－力学 ¾¾材料增强体材料增强体 用于增强金属、陶瓷和有机材料等。用于增强金属、陶瓷和有机材料等。 并且结合碳纳米管的导热导电特性，并且结合碳纳米管的导热导电特性， 能够制备自愈合材料。能够制备自愈合材料。 碳纳米管增强陶瓷基复合材料碳纳米管/有机复合材料 ©自愈合材料有望 极大提高航天航空 器的自我保护和修 复能力！ 苏州纳米技术与纳米仿生研究所 碳纳米管的应用－隐身材料碳纳米管的应用－隐身材料 碳纳米管对红外和电磁波有隐身作用碳纳米管对红外和电磁波有隐身作用:: ‹‹纳米微粒尺寸远小于红外及雷达波波长纳米微粒尺寸远小于红外及雷达波波长,, 因此纳米微粒材料对这种波的透过率比常因此纳米微粒材料对这种波的透过率比常 规材料要强得多规材料要强得多,,这就大大减少波的反射率这就大大减少波的反射率;; ‹‹纳米微粒材料的比表面积比常规粗粉大纳米微粒材料的比表面积比常规粗粉大 33～～4 4 个数量级个数量级,,对红外光和电磁波的吸收率对红外光和电磁波的吸收率 也比常规材料大得多。也比常规材料大得多。 因此，红外探测器及雷达得到的反射信号因此，红外探测器及雷达得到的反射信号 强度大大降低，很难发现被探测目标强度大大降低，很难发现被探测目标,,起到起到 了隐身作用。由于发射到该材料表面的电了隐身作用。由于发射到该材料表面的电 磁波被吸收磁波被吸收,,不产生反射不产生反射,,因此而达到隐形效因此而达到隐形效 果。果。 苏州纳米技术与纳米仿生研究所 碳纳米管的应用－能源碳纳米管的应用－能源 储氢材料储氢材料 按按55人座的轿车行使人座的轿车行使500500公里计算，需公里计算，需 要要3.1Kg3.1Kg的氢气，以正常的油箱体积计的氢气，以正常的油箱体积计 算，氢气的存储密度应有算，氢气的存储密度应有6.5wt%6.5wt%，目，目 前的储氢材料都不能满足这一要求。前的储氢材料都不能满足这一要求。 碳纳米管由于其管道结构及多壁碳管碳纳米管由于其管道结构及多壁碳管 之间的类石墨层空隙，使其成为最有之间的类石墨层空隙，使其成为最有 潜力的储氢材料，国外学者证明在室潜力的储氢材料，国外学者证明在室 温和不到温和不到1bar1bar的压力下，单壁碳管可以的压力下，单壁碳管可以 吸附氢气吸附氢气55--10wt%10wt%。。 根据理论推算和近期反复验证，普遍根据理论推算和近期反复验证，普遍 认为碳纳米管的可逆储认为碳纳米管的可逆储//放氢量在放氢量在5wt%5wt% 左右，即使左右，即使5wt%5wt%，也是迄今为止最好，也是迄今为止最好 的储氢材料。的储氢材料。 碳纳米管储氢示意图碳纳米管储氢示意图红点为氢原子红点为氢原子 苏州纳米技术与纳米仿生研究所 碳纳米管的应用－能源碳纳米管的应用－能源 锂离子电池锂离子电池 锂离子电池正朝高能量密度方向发锂离子电池正朝高能量密度方向发 展，最终为电动汽车配套，并真正成展，最终为电动汽车配套，并真正成 为工业应用的非化石发电的绿色可持为工业应用的非化石发电的绿色可持 续能源，因此要求材料具有高的可逆续能源，因此要求材料具有高的可逆 容量。容量。 碳纳米管的层间距略大于石墨的层间碳纳米管的层间距略大于石墨的层间 距，充放电容量大于石墨，而且碳纳距，充放电容量大于石墨，而且碳纳 米管的筒状结构在多次充米管的筒状结构在多次充--放电循环后放电循环后 不会塌陷，循环性好。碱金属如锂离不会塌陷，循环性好。碱金属如锂离 子和碳纳米管有强的相互作用。用碳子和碳纳米管有强的相互作用。用碳 纳米管做负极材料做成的锂电池的首纳米管做负极材料做成的锂电池的首 次放电容量高达次放电容量高达1600mAh/g1600mAh/g，可逆容量，可逆容量 为为700mAh/g700mAh/g，远大于石墨的理论可逆，远大于石墨的理论可逆 容量容量372mAh/g372mAh/g。。 日机装公司日前试制成功了以直径为20nm的碳 纳米管为负极材料的锂离子电池 苏州纳米技术与纳米仿生研究所 碳纳米管的应用－纳米器件碳纳米管的应用－纳米器件 纳米导线纳米导线 碳纳米管的直径仅数纳米至数十纳碳纳米管的直径仅数纳米至数十纳 米，耐电流密度可达铜的米，耐电流密度可达铜的100100多倍，可多倍，可 以作为超级耐高电流密度的布线材以作为超级耐高电流密度的布线材 料，半导体型的碳纳米管还可以用来料，半导体型的碳纳米管还可以用来 构筑纳米场效应晶体管、单电子晶体构筑纳米场效应晶体管、单电子晶体 管等纳米器件，变频器、逻辑电路以管等纳米器件，变频器、逻辑电路以 及环形振荡器等各种逻辑电路。及环形振荡器等各种逻辑电路。 IBMIBM的研究人员已经在单一的研究人员已经在单一““碳纳米管碳纳米管”” 分子上构建了首个的完整电子集成电分子上构建了首个的完整电子集成电 路，比当今的硅半导体技术具有更为路，比当今的硅半导体技术具有更为 强大的性能，具有里程碑式的重大意强大的性能，具有里程碑式的重大意 义。。义。。 碳纳米管电子线路 苏州纳米技术与纳米仿生研究所 碳纳米管的应用－电子器件碳纳米管的应用－电子器件 场致发射场致发射 纳米级发射尖端、大长径比、高强度、高韧纳米级发射尖端、大长径比、高强度、高韧 性、良好的热稳定性和导电性等，使得碳纳性、良好的热稳定性和导电性等，使得碳纳 米管成为理想的场致发射材料米管成为理想的场致发射材料!!有望在冷发射有望在冷发射 电子枪、平板显示器等众多领域中获得应电子枪、平板显示器等众多领域中获得应 用。用。 日本已制出该类技术的彩色电视机样机，其日本已制出该类技术的彩色电视机样机，其 图象分辨率是目前已知其它技术所不可能达图象分辨率是目前已知其它技术所不可能达 到的。用碳纳米管制成的电子枪与传统的相到的。用碳纳米管制成的电子枪与传统的相 比，不但具有在空气中稳定、易制作的特比，不但具有在空气中稳定、易制作的特 点，而且具有较低的工作电压和大的发射电点，而且具有较低的工作电压和大的发射电 流，适用于制造大的平面显示器。流，适用于制造大的平面显示器。 使用具有高度定向性的单壁碳纳米管作为电使用具有高度定向性的单壁碳纳米管作为电 子发送材料，不但可以使屏幕成像更清晰，子发送材料，不但可以使屏幕成像更清晰， 还可以缩短电子到屏幕之间的距离，使得制还可以缩短电子到屏幕之间的距离，使得制 造更薄的壁挂电视成为可能。造更薄的壁挂电视成为可能。 苏州纳米技术与纳米仿生研究所 碳纳米管的应用碳纳米管的应用－电子器件－电子器件 新型的电子探针新型的电子探针 碳纳米管具有大长径比、纳米尺度尖端、高碳纳米管具有大长径比、纳米尺度尖端、高 模量，是理想的电子探针材料。模量，是理想的电子探针材料。 不易折断不易折断：即使与被观察物体的表面发生碰：即使与被观察物体的表面发生碰 撞，纳米碳管也不易折断，碳纳米管可与被撞，纳米碳管也不易折断，碳纳米管可与被 观察物体进行软接触。观察物体进行软接触。 灵活性高灵活性高：碳纳米管笼状碳网状结构，可以：碳纳米管笼状碳网状结构，可以 进入观察物体不光滑表面的凹陷处。能更好进入观察物体不光滑表面的凹陷处。能更好 显现被观察物体的表面形貌和状态，有很好显现被观察物体的表面形貌和状态，有很好 的重现性。的重现性。 用碳纳米管作为这类电子显微镜的探针，不用碳纳米管作为这类电子显微镜的探针，不 仅可以延长探针的使用寿命，而且可极大的仅可以延长探针的使用寿命，而且可极大的 提高显微镜的分辨率。特别是扩展了原子力提高显微镜的分辨率。特别是扩展了原子力 显微镜等探针型显微镜在蛋白质、生物大分显微镜等探针型显微镜在蛋白质、生物大分 子结构的观察和表征中的应用。子结构的观察和表征中的应用。 苏州纳米技术与纳米仿生研究所 碳纳米管的应用碳纳米管的应用－电子器件－电子器件 超级电容器超级电容器 多孔碳不但微孔分布宽（对存储能量有多孔碳不但微孔分布宽（对存储能量有 贡献的孔不到贡献的孔不到30%30%），而且结晶度低，），而且结晶度低， 导电性差，容量小。导电性差，容量小。碳纳米管结晶度碳纳米管结晶度 高、导电性好、比表面积大、微孔大小高、导电性好、比表面积大、微孔大小 可通过合成工艺加以控制，比表面利用可通过合成工艺加以控制，比表面利用 率可达率可达100%100%，超级电容器极限容量骤然，超级电容器极限容量骤然 上升了上升了33--44个数量级，循环寿命在万次以个数量级，循环寿命在万次以 上（使用年限超过上（使用年限超过55年）。在移动通年）。在移动通 讯、信息技术、电动汽车、航空航天和讯、信息技术、电动汽车、航空航天和 国防科技等方面具有极其重要和广阔的国防科技等方面具有极其重要和广阔的 应用前景。应用前景。 大功率超级电容器大功率超级电容器 快速充放电特性：快速充放电特性：在汽车启动和爬坡时在汽车启动和爬坡时 快速提供大电流及大功率电流，在正常快速提供大电流及大功率电流，在正常 行驶时由蓄电池快速充电；在刹车时快行驶时由蓄电池快速充电；在刹车时快 速存储发电机产生的大电流，这可减少速存储发电机产生的大电流，这可减少 电动车辆对蓄电池大电流充电的限制，电动车辆对蓄电池大电流充电的限制， 大大延长蓄电池的使用寿命，提高电动大大延长蓄电池的使用寿命，提高电动 汽车的实用性；对于燃料电池电动汽车汽车的实用性；对于燃料电池电动汽车 的启动更是不可少的。若其容量能进一的启动更是不可少的。若其容量能进一 步提高，可望取代电池使用。步提高，可望取代电池使用。 碳纳米管的电双层电容器实例 苏州纳米技术与纳米仿生研究所 碳纳米管的应用－传感器碳纳米管的应用－传感器 传感器传感器 碳纳米管吸附某些气体之后，碳纳米管吸附某些气体之后， 导电性发生明显改变，因此可导电性发生明显改变，因此可 将碳纳米管做成气敏元件对气将碳纳米管做成气敏元件对气 体实施探测报警。体实施探测报警。 在碳纳米管内填充光敏、湿在碳纳米管内填充光敏、湿 敏、压敏等材料，还可以制成敏、压敏等材料，还可以制成 纳米级的各种功能传感器。纳纳米级的各种功能传感器。纳 米管传感器将会是一个很大的米管传感器将会是一个很大的 产业。产业。 苏州纳米技术与纳米仿生研究所 碳纳米管的应用－纳米机械碳纳米管的应用－纳米机械 纳米机械纳米机械 ‹‹美国中国和巴西的科学家发明了能称美国中国和巴西的科学家发明了能称 量亿亿分之二百克的单个病毒的量亿亿分之二百克的单个病毒的““纳米纳米 秤秤””，通过测量振动频率可以测出粘结在，通过测量振动频率可以测出粘结在 悬臂梁一端的颗粒的质量。悬臂梁一端的颗粒的质量。 ‹‹莫斯科大学的研究人员将少量纳米管莫斯科大学的研究人员将少量纳米管 置于置于29Kpa29Kpa的水压的水压下下((相当于水下相当于水下1800018000千千 米深的压力米深的压力))做实验。不料，未加到预定做实验。不料，未加到预定 压力的压力的1/31/3，纳米管就被压扁，纳米管就被压扁了。他们马了。他们马 上卸去压力，它却像弹簧一样立即恢复上卸去压力，它却像弹簧一样立即恢复 了原来形状。于是，科学家得到启发，了原来形状。于是，科学家得到启发， 发发明了用碳纳米管制成像纸张一样薄的明了用碳纳米管制成像纸张一样薄的 弹簧，用作汽车或火车的减震装置，可弹簧，用作汽车或火车的减震装置，可 大大减轻车辆的重大大减轻车辆的重量。量。 苏州纳米技术与纳米仿生研究所 碳纳米管的应用－人工肌肉碳纳米管的应用－人工肌肉 人造肌肉又叫电活性聚合物，是一种新型智能高分子材人造肌肉又叫电活性聚合物，是一种新型智能高分子材 料，它能够在外加电场的作用下，通过材料内部结构的料，它能够在外加电场的作用下，通过材料内部结构的 改变而伸缩、弯曲、束紧或膨胀，和生物肌肉十分相改变而伸缩、弯曲、束紧或膨胀，和生物肌肉十分相 似。似。 自愈合：自愈合： 美国加州大学洛杉矶分校的研究人员已经制造出了一种美国加州大学洛杉矶分校的研究人员已经制造出了一种 人造肌肉，能自我愈合并发电。此人造肌肉可用于制造人造肌肉，能自我愈合并发电。此人造肌肉可用于制造 行走机器人，开发更好的假肢。行走机器人，开发更好的假肢。当人造肌肉充电时，它当人造肌肉充电时，它 会膨胀会膨胀22倍以上。如果有一处碳纳米管坏了，其周围区倍以上。如果有一处碳纳米管坏了，其周围区 域就会将它自我封闭，使其不导电，防止损坏波及到其域就会将它自我封闭，使其不导电，防止损坏波及到其 它区域。它区域。 节能充电：节能充电： 当此人造肌肉收缩即碳纳米管重排时，它就会产生一股当此人造肌肉收缩即碳纳米管重排时，它就会产生一股 小小的电流，科学家可以获取这股电流并加以利用，或小小的电流，科学家可以获取这股电流并加以利用，或 给下一次肌肉扩张提供能量，或贮存在电池里。日本科给下一次肌肉扩张提供能量，或贮存在电池里。日本科 学家利用海浪给电池充电就是使用的同一技术。其他科学家利用海浪给电池充电就是使用的同一技术。其他科 学家已经推测到此人造肌肉还可用于捕获风能。一些人学家已经推测到此人造肌肉还可用于捕获风能。一些人 甚至会用它来给自己的电池充电。甚至会用它来给自己的电池充电。 负泊松比负泊松比：： 最近发现碳纳米管薄膜具有负的泊松比的奇特性质，在最近发现碳纳米管薄膜具有负的泊松比的奇特性质，在 伸展时可增加宽度，在均匀压缩时长度和宽度均可增伸展时可增加宽度，在均匀压缩时长度和宽度均可增 加。这种泊松比的调节能力也可用来设计基于纳米管薄加。这种泊松比的调节能力也可用来设计基于纳米管薄 膜的复合材料、人工肌肉、密封垫、应力和应变传感器膜的复合材料、人工肌肉、密封垫、应力和应变传感器 及化学传感器。及化学传感器。 人工肌肉模型 压力传感器 苏州纳米技术与纳米仿生研究所 碳纳米管的应用－催化碳纳米管的应用－催化 特点：特点：高稳定性、高比表面积、便于化高稳定性、高比表面积、便于化 学处理等学处理等 由于碳纳米管具有纳米级的内径，类似由于碳纳米管具有纳米级的内径，类似 石墨的碳六元环网和大量未成键的电石墨的碳六元环网和大量未成键的电 子，可选择吸附和活化一些较惰性的分子，可选择吸附和活化一些较惰性的分 子，研究发现其在子，研究发现其在600600℃℃的催化活性优的催化活性优 于贵金属铑，并很稳定。这将在石化和于贵金属铑，并很稳定。这将在石化和 化工产业界带来不可估量的革新和效化工产业界带来不可估量的革新和效 益。益。 碳纳米管与金属离子之间的相互作用，碳纳米管与金属离子之间的相互作用， 使金属离子能在常温下自动趋于还原使金属离子能在常温下自动趋于还原 态，这对金属纳米导线的制备无疑很有态，这对金属纳米导线的制备无疑很有 裨益。裨益。 苏州纳米技术与纳米仿生研究所 富勒烯富勒烯 富勒烯的结构富勒烯的结构 克罗托受建筑学家理查德克罗托受建筑学家理查德··巴克明斯特巴克明斯特··富勒（富勒（Richard Richard Buckminster FullerBuckminster Fuller，，18951895年年77月月1212日日~1983~1983年年77月月11日日）） 设计的美国万国博览馆球形圆顶薄壳建筑的启发，设计的美国万国博览馆球形圆顶薄壳建筑的启发， 认为认为C60C60可能具有类似球体的结构，因此将其命名为可能具有类似球体的结构，因此将其命名为 buckminsterbuckminster fullerenefullerene（巴克明斯特（巴克明斯特··富勒烯，简称富富勒烯，简称富 勒烯）。勒烯）。 富勒烯是一系列纯碳组成的原子簇的总称。它们是富勒烯是一系列纯碳组成的原子簇的总称。它们是 由非平面的五元环、六元环等构成的封闭式空心球由非平面的五元环、六元环等构成的封闭式空心球 形或椭球形结构的共轭烯。现已分离得到其中的几形或椭球形结构的共轭烯。现已分离得到其中的几 种，如种，如C60C60和和C70C70等。在若干可能的富勒烯结构中等。在若干可能的富勒烯结构中 C60C60，，C240C240，，C540C540和直径比为和直径比为1:2:31:2:3。。 C60C60的分子结构的确为的分子结构的确为球形球形3232面体，它是由面体，它是由6060个碳原个碳原 子以子以2020个六元环和个六元环和1212个五元环连接而成的足球状空个五元环连接而成的足球状空 心对称分子，所以，富勒烯也被称为心对称分子，所以，富勒烯也被称为足球烯足球烯。。 苏州纳米技术与纳米仿生研究所 富勒烯的性质和应用富勒烯的性质和应用 ——C60C60有润滑性，可能成为超级润滑剂。有润滑性，可能成为超级润滑剂。 ——金属掺杂的金属掺杂的C60C60有超导性，是有发展前途的有超导性，是有发展前途的 超导材料。超导材料。 ——C60C60还可能在半导体、催化剂、蓄电池材料还可能在半导体、催化剂、蓄电池材料 和药物等许多领域得到应用。和药物等许多领域得到应用。 ——C60C60分子可以和金属结合，也可以和非金属分子可以和金属结合，也可以和非金属 负离子结合。负离子结合。C60C60是既有科学价值又有应用前是既有科学价值又有应用前 景的化合物，在生命科学、医学、天体物理景的化合物，在生命科学、医学、天体物理 等领域也有定的意义。等领域也有定的意义。 ——富勒烯的成员还有富勒烯的成员还有C78C78、、C82C82、、C84C84、、C90C90、、 C96C96等也有管状等其他形状。等也有管状等其他形状。 From left to right: C60, C70, C76/C78, C84 苏州纳米技术与纳米仿生研究所 史料存储器史料存储器 美国夏威夷大学的研究人员，从一颗在美国夏威夷大学的研究人员，从一颗在3030年前掉年前掉 进地球的古老陨石中，发现了一些富勒烯。在形进地球的古老陨石中，发现了一些富勒烯。在形 成的过程中，有时会把较小型的分子包在中心，成的过程中，有时会把较小型的分子包在中心， 形成一种超小型的史料储存器，把宇宙数十亿年形成一种超小型的史料储存器，把宇宙数十亿年 前的史料保存下来。前的史料保存下来。他们发现陨石在穿过地球大他们发现陨石在穿过地球大 气时的高热，内部所保存的球壳并没有被摧毁。气时的高热，内部所保存的球壳并没有被摧毁。 而更有意思的是，在仔细检视后，他们发现内部而更有意思的是，在仔细检视后，他们发现内部 竟然不是空空的。竟然不是空空的。经由检验被陷在中心的小型分经由检验被陷在中心的小型分 子，科学家能够一窥太阳系形成时的状态。子，科学家能够一窥太阳系形成时的状态。 科学家很想知道，这种富勒烯如何在早期太阳系科学家很想知道，这种富勒烯如何在早期太阳系 的环境中形成？它们为什么能够在高热的恶劣环的环境中形成？它们为什么能够在高热的恶劣环 境中残留下来？那里可以找到更多这种起源自地境中残留下来？那里可以找到更多这种起源自地 球外的富勒烯？从这种超小型的宇宙史料储存器球外的富勒烯？从这种超小型的宇宙史料储存器 中，我们能不能找到更多信息？为了回答这类问中，我们能不能找到更多信息？为了回答这类问 题，地外富勒烯的研究，已经成为一个很热门的题，地外富勒烯的研究，已经成为一个很热门的 科学研究领域。科学研究领域。 苏州纳米技术与纳米仿生研究所 纳米多孔碳纳米多孔碳 分类： 微孔材料<2 nm；介孔材料2 nm~ 50 nm； 大孔材料> 50 nm 优点： 高比表面积、高热导率、高电导率、 高稳定性、高化学惰性、低密度等 应用前景： 气体吸附、水净化 催化载体、电化学双层电容器、 电极材料、生物传感器和太阳能电池等 苏州纳米技术与纳米仿生研究所 多孔碳的应用多孔碳的应用 ¾¾环境治理：气体和水净化的关键材料环境治理：气体和水净化的关键材料 ¾¾电化学双层电容器电化学双层电容器 ¾¾催化载体催化载体 ¾¾有机生物分子吸附载体有机生物分子吸附载体 ¾¾高灵敏生物传感器电极高灵敏生物传感器电极 ¾¾太阳能电池太阳能电池 水净化装置 催化载体 苏州纳米技术与纳米仿生研究所 展展望望