1990年诺贝尔化学奖评价及应用1
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发布时间：2024-03-14 06:32
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时间：2024-03-15 17:25
一．碳材料基础
碳作为生命组织的基本组成之一存在于所有有机材料和所有碳基高分子中。纯的碳很早以前就是重要的无机材料之一。碳有4种同素异形体：石墨、金刚石、富勒烯、卡宾碳，它们各有各自不同的特点及应用，总的来说它们几乎涵盖所有科学家及工程师所需要的特点。例如：石墨是最软的材料之一（显微硬度1GPa），通常用来作为固体润滑剂；金刚石是最硬的材料（显微硬度100GPa），通常作为切割工具；碳纳米管拥有与铜或硅相媲美的导电性。
传统碳材料(Classic Carbons) 新型碳材料 (New Carbons) • 木炭，竹炭(Charcoals) • 金刚石(Diamond) • 活性炭(Activated carbons) • 炭纤维(carbon fibers) • 炭黑(Carbon blacks) • 石墨层间化合物(Graphite • 焦炭(Coke) Intercalation compounds) • 天然石墨（Natural graphite） • 柔性石墨(Flexible graphite) • 石墨电极，炭刷 • 核石墨（Nuclear graphite） • 炭棒，铅笔 • 储能用炭材料
• 玻璃炭（Glass-like carbons）
其中新型碳材料包含纳米碳材料：富勒烯、碳纳米管、纳米金刚石、石墨烯。 二．新型碳材料
1.金刚石
2.碳纤维20世纪90年代碳材料诺贝尔奖
导电性介于非金属和金属之间，热膨胀系数小，耐腐蚀性好，纤维的密度低，X射线透过性好。但其耐冲击性较差，容易损伤，在强酸作用下发生氧化，与金属复合时会发生金属碳化、渗碳及电化学腐蚀现象。因此，碳纤维在使用前须进行表面处理。
碳纤维广泛用于民用，军用，建筑，化工，工业，航天等领域。20世纪90年代碳材料诺贝尔奖
3.石墨层间化合物 石墨层间化合物 （GIC）是通式为XCy的化合物，它是由金属原子插入在石墨层间形成的。 这种化合物导电性通常比石墨要强。若插入原子与石墨形成共价键，则导电性降低，这是由于共轭sp系统破坏造成的。石墨层间化合物通常具有超导性能。
在石墨层间化合物中，每层不必都被其他原子占据。所谓“第一阶段化合物”中，石墨层与插入原子层相互交错；在“第二阶段化合物”中，两层石墨层间不必都要有其他原子。实际的组成可能多变或更复杂。 第一阶段化合物中，二元石墨-金属层间化合物对于如钾、铷、铯的金属通常为XC8 ，对于金属如锂、锶、钡、铕、镱或钙，则通式常为XC6。
4.柔性石墨
又称膨胀石墨，可膨胀石墨是一种利用物理或化学的方法使非碳质反应物插入石墨层间，与炭素的六角网络平面结合的同时又保持了石墨层状结构的晶体化合物。它不仅保持石墨优异的理化性质，而且由于插入物质与石墨层的相互作用而呈现出原有石墨及插层物质不具备的新性能。插有层间化合物的石墨在遇到高温时，层间化合物将分解，产生一种沿石墨层间C轴方向的推力，这个推力远大于石墨粒子的层间结合力，在这个推力的作用下石墨层间被推开，从而使石墨粒子沿C轴方向高倍地膨胀，形成蠕虫状的膨胀石墨。
膨胀石墨是一种性能优良的吸附剂，尤其是它具有疏松多孔结构，对有机化合物具有强大的吸附能力，1 g膨胀石墨可吸附80 g石油，于是膨胀石墨就被设计成各种工业油脂和工业油料的吸附剂。
5.核石墨
核石墨（nuclear graphite），用于核工业方面的石墨材料。有原子反应堆用中子减速剂、
反射剂、生产同位素用的热柱石墨、高温气冷堆用的球状石墨和块状石墨等等。
石墨用于热中子反应堆，也有希望用于聚变堆，在热中子反应堆中可作为燃料区的中子慢化剂、燃料区周围的反射层材料，以及堆芯内部的结构材料。
石墨烯（Graphene）是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一个碳原子厚度的二维材料。石墨烯一直被认为是假设性的结构，无法单独稳定存在[1]，直至2004年，英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫，成功地在实验中从石墨中分离出石墨烯，而证实它可以单独存在，两人也因“在二维石墨烯材料的开创性实验”为由，共同获得2010年诺贝尔物理学奖。
3.1 石墨烯的概况
由于其具有特殊的纳米结构以及优异的性能，基于石墨烯的材料已在电子学、光学、磁学、生物医学、催化、传感器、储能等诸多领域显示出了巨大的应用潜能。石墨烯是由碳原子以矿杂化连接的单原子层构成的，其基本结构单元为有机材料中最稳定的苯六元环，其理论厚度仅为0.35nm，是目前所发现的最薄的二维材料。石墨烯是构成其它石墨材料的基本单元，可以翘曲变成零维的富勒烯，卷曲形成一维的CNTs或者堆垛成三维的石墨。石墨烯是一种没有能隙的半导体，具有比硅高100倍的载流子迁移率(2×105cm2/v)，在室温下具有微米级自由程和大的相干长度，因此石墨烯是纳米电路的理想材料。石墨烯具有良好的导热性
