碳纳米环：生长机理、可控合成、性质和应用

碳材料是一类神奇的材料,碳原子可以通过sp、sp²或sp³杂化构筑不同微观结构的碳材料。目前,已经发现的碳的同素异形体有石墨、金刚石、富勒烯、碳纳米管、碳纳米环、石墨烯和石墨炔。富勒烯和石墨烯因性质独特、应用前景广阔,其发现者分别获得1996年和2010年诺贝尔奖。碳纳米环具有独特的环状结构、优异的机械强度及特殊的物理化学性能,也引起广泛关注。研究者从早期对碳纳米环进行理论计算、预测其性质,到现在已能够通过化学气相沉积、激光辐射、超声诱导自组装等方法制备不同尺寸的碳纳米环,并对其性质和应用进行探索。总结了近30年来有关碳纳米环的生长机理、可控合成、性质和应用等方面的研究进展,对其规模化合成与应用提出了建议与展望。     

碳纳米环：生长机理、可控合成、性质和应用

碳材料是一类神奇的材料,碳原子可以通过sp、sp2或sp3杂化构筑不同微观结构的碳材料。目前,已经发现的碳的同素异形体有石墨、金刚石、富勒烯、碳纳米管、碳纳米环、石墨烯和石墨炔。富勒烯和石墨烯因性质独特、应用前景广阔,其发现者分别获得1996年和2010年诺贝尔奖。碳纳米环具有独特的环状结构、优异的机械强度及特殊的物理化学性能,也引起广泛关注。研究者从早期对碳纳米环进行理论计算、预测其性质,到现在已能够通过化学气相沉积、激光辐射、超声诱导自组装等方法制备不同尺寸的碳纳米环,并对其性质和应用进行探索。总结了近30年来有关碳纳米环的生长机理、可控合成、性质和应用等方面的研究进展,对其规模化合成与应用提出了建议与展望。     

碳单质的新成员

综述了碳的线性同素异形体的结构、性能、合成方法，并对其发展前景进行了展望。     

碳纳米带的催化生长及其机理的研究

采用热化学气相沉积法(thermal chemical vapor deposition,TCVD)在经过高温氨气处理后的硅基铁纳米薄膜表面实现片状碳纳米带的催化生长.通过场发射扫描电子显微镜(field emission scanning electron microscopy,FESEM)的观察可知,生成的碳材料是一种准二维材料,表面具有垂直于其长度方向的纹理,厚(z方向)约几十纳米,宽(Y方向)几百纳米,类似于一种"搓板"状的结构.而其宽度沿着其长度方向则有较大的变化,时宽时窄,没有固定的规律.这种带状碳纳米纤维材料的边缘光滑,比中间略宽,类似于一种镶边结构.通过高分辨透射电子显微镜(high resolution transmission electron microscopy,HRTEM)的观察可知,碳纳米带的碳层沿着垂直于碳纳米带长度的(002)方向有统一的排列,其边缘都弯曲折叠成封闭结构.有序排列的碳层被层错和断点分割成许多微区.在对催化剂研究的基础上,本文认为片状碳纳米带的生长是通过碳原子在片层状催化剂颗粒中的扩散、析出来实现的.碳层从催化剂片层侧面中一层一层地析出,形成带状外观.     

银复合对石墨型氮化碳结构及光催化性能的影响

为了提高石墨型氮化碳(g-C_3N_4)的可见光催化性能,利用水热合成,通过片状g-C_3N_4自组装法制备了银复合的石墨型氮化碳材料,研究了不同硝酸银加入量对Ag/g-C_3N_4复合材料的结构与光催化性能的影响。采用紫外-可见(UV-Vis)分光光度计、X射线衍射光谱(XRD)、红外傅立叶变换光谱(FT-IR)和扫描电子显微镜(SEM)对材料的结构与性能进行表征。结果表明:所得复合材料由于g-C_3N_4自组装行为而形成球状结构,其球形的直径随着硝酸银加入量的增加而减小;与g-C_3N_4相比,复合材料具有高的催化性能,可能由于其银的均匀复合以及所形成的3维结构;而Ag(60)/g-C_3N_4表现出最高的催化活性,原因在于银离子浓度对制备的复合催化剂的光学性质、能带及结构的影响。     

压缩玻璃碳的基础研究取得重要进展

<正>碳具有石墨、金刚石、富勒烯、碳纳米管、石墨烯等多种同素异形体,石墨在高压下可直接转变成超硬金刚石。对于这种高温高压截获的亚稳相,其晶体结构与初始前驱体结构、压力温度条件以及加载或卸载方式密切相关,为探索新奇碳材料提供了机会。亚稳材料制备技术与科学国家重点实验室(燕山大学)田永君教授、赵智胜教授等人与国内外科学家合作,以玻璃碳为初始原料,利用高压配合较温和的温度条件合成了一种新型碳的同素异形体。其保留了玻璃     

空气氛围下废弃秸秆转化为铁/生物碳复合储能材料的研究

采用熔融盐法通过向秸秆材料中掺杂铁元素，将废弃秸秆转化为铁氧化物/生物碳储能材料(FeBNS)。研究了铁加入量对FeBNS储能性能的影响，并对其进行结构表征和电化学性能测试。结果表明，碳基材料中的铁氧化物主要以Fe₂O₃和Fe₃O₄的形式存在，FeBNS呈现出明显的片状结构，并且具有丰富的孔道结构。成功制备了具有双电层电容和赝电容性质的超级电容材料，在电流密度为2 A/g时，电容为212.2 F/g;电流密度为10 A/g时，电容为149.9 F/g,保留率为70.6%。     

我国科学家合成新型纳米材料碳141

中科院高能物理研究所赵宇亮等研究人员,日前利用一定能量的中子与C70分子相互作用,首次成功合成、分离、表征了单原子数目富勒烯分子C141。这一将核技术应用于新材料领域而取得的成果,为将来新一代中子源在材料科学研究中的应用提供了新思路。据介绍,富勒烯是一种由碳原子组成的纳米结构的球笼状分子。2个富勒烯碳笼连接起来,可以形成富勒烯二聚体。当2个富勒烯碳笼之间加入一个其他原子时,就可形成桥型富勒烯二聚体。而全碳富勒烯二聚体(C141)作为碳的又一种同素异形体和进行富勒烯聚合反应的起始物,在新型碳纳米材料研究中引起了极大关…     

球形碳—富勒

一些元素以不同的同素异形体形式存在。例如,氧元素在我们所呼吸的空气中是以双原子氧(O_2)形式存在,而高空中的氧是以臭氧(O_3)的形式存在,臭氧使我们免遭阳光中紫外线伤害。通常认为,碳元素具有两种同素异形体:无色、质硬且贵重的金刚石(图1)和黑色、质脆且不太贵重的石墨(图2)。化学家们,特别是萨塞克斯(Sussex)大学的哈利·克鲁托(Harry Kroto)及其研究小组,长期以来一直认为存在着碳的第三种同素异形体;然而,当德国的马克斯·布朗克(Max Planck)核物理研究所沃尔周·克拉基米尔     

氨基修饰片状氮化碳的制备及光催化性能

石墨相氮化碳是一种低成本易获得的可见光响应光催化剂,但由于比表面积小、光生载流子易复合等缺点限制了其应用。为克服传统氮化碳的缺陷,本实验以尿素和三聚氰胺为原料,通过水热预处理改性前体,再用高温煅烧法成功制备出氨基修饰片状氮化碳光催化材料。并通过X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）和X射线光电子能谱仪（XPS）等手段对样品的晶格结构和形貌特征等进行表征。结果表明,成功引入氨基基团的片状氮化碳,比表面积增加且光生载流子复合率显著降低。以罗丹明B和壬基酚溶液的光降解考察材料光催化性能,发现氨基修饰片状氮化碳对其去除率分别为80.69%和50.7%,分别是传统块状氮化碳的2.45倍和2.19倍,是未修饰片状氮化碳的1.26倍和1.21倍。且氨基修饰片状氮化碳材料重复使用5次后仍具有较高光催化活性,光催化性能显著提高。     

碳纳米材料表征方法的现状

碳纳米材料表征技术是碳材料研究与应用交叉融合的技术,对其研究和应用有着重要的推动作用。碳纳米材料的性能与其微观结构和组成密切相关。表征碳纳米材料的微观结构和组成的方法有多种,如扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、高分辨透射电子显微镜(HRTEM)、能量色散X射线(EDX)、选区电子衍射(SAED)、X射线衍射(XRD)、光电子能谱(XPS)和拉曼(Raman)光谱等。     

科学家发现三维石墨烯新形式:碳蜂窝体

正目前已知的碳同素异形体有钻石、石墨、富勒烯和碳纳米管。最近乌克兰哈尔科夫低温物理技术研究所的科研人员研究合成出碳的新变体———碳蜂窝体,这一发现立即吸引了世界科学界的关注。这种变体由于其形状特殊,类似于蜂窝而被命名为碳蜂窝体。低温电子衍射和高分辨率电子显微镜与结构建模结合表明,他们合成的物质通     

轰动世界的碳60

人类进入20世纪90年代,国际化学界爆出一大新闻:科学家们在地球上发现了碳的第三种形式——碳分子同素异形体——大分子碳60,又称巴氏球。如此的成就,令世人关注。其奥妙在于——它的几何形状——60个碳原子规律排成一个中空的“足球”数世纪的研究证明,碳仅以两种基本结构形式出现:一种是由每1个碳原子与其它4个碳原子键连在一起,形成正四面棱锥结构,这就是闪闪发光的金刚石,它是地球上已知物质中最硬的东西。碳的另一种结构形式是由一层层按六角形排列的碳原子组成,这就是黯淡无光、硬度不高、易于滑动的石墨。今天,碳的第三种结构形式——碳60的发现,打破了数世纪的结论。碳     

发光碳量子点的合成及应用

碳元素是地球上所有已知生命的基础.由于其具有多样的电子轨道特性(sp、sp2、sp3),因此形成许多结构和性质奇特的物质.碳量子点是2004年发现的一种新型碳材料,相对于传统的半导体量子点和有机染料,这位碳家族中的新成员不仅保持了碳材料毒性     

六边变五边,科学家模拟合成新型石墨烯

<正>一般来说,石墨烯是一种六边形结构的炭材料。日前,北京大学应用物理与技术研究中心王前教授课题组与其他国际合作者模拟了一种称为五边形石墨烯的新型炭材料的合成。与由碳六元环所构成的石墨烯不同,这种碳的新同素异形体是以纯碳五元环为结构基元构成的二维结构,并具有可与石墨烯媲美的优异性质。该研究成果近日发表在《美国科学院院刊》上。     

ZIF-8衍生的多孔碳作DSSC对电极

根据金属有机框架材料(MOF)衍生的多孔碳的特点,本工作以ZIF-8为前驱体制得氮掺杂多孔碳(NPC)。采用多种表征方式研究了NPC的结构和形貌特点,利用CV曲线研究了NPC的电催化活性,并将其作对电极组装了染料敏化太阳能电池。研究表明,NPC-900的性能最佳,获得了7.1%的光电转化效率,略低于Pt电极的光电转化效率(7.6%)。     

新型零维碳纳米材料的研究进展

碳纳米颗粒材料具有不同的结构和形貌,包括无定形碳、纳米石墨、纳米金刚石、碳纳米洋葱和碳纳米笼等。它们的电学、磁学和光学性质优异,在众多领域内显示出广阔的应用前景,如催化剂载体、生物医药、磁性材料和发光材料等领域。制备具有新颖结构和独特形貌的碳纳米颗粒材料及其应用研究已经成为碳纳米材料领域的研究前沿和热点之一。综述了新型碳纳米颗粒材料的制备、结构和形貌以及应用的研究进展,探讨了该研究领域亟待解决的问题以及今后可能的发展前景。     

模板法制备多孔碳修饰微生物燃料电池阳极的研究

以MCM-22分子筛为模板、蔗糖为碳前驱体、镍离子为催化剂,将无定型碳转化成多孔碳材料(PC),采用SEM测试、BET测试对其表面形貌及比表面积进行表征,采用EIS测试和CV测试对其修饰电极进行电化学性能表征,并将其修饰电极装配于微生物燃料电池(MFC)中运行,对MFC进行性能分析和COD去除率分析。SEM测试显示PC结构呈碎片化片状结构,BET测试其比表面积为578.66 m~2·g~(-1)。EIS测试显示,PC修饰碳布(PC-CC)的活化阻抗较小,仅为2.6Ω,CV测试中PC-CC也出现了较弱的氧化还原峰。与以未修饰的空白碳布为阳极的MFC相比,以PC-CC为阳极的MFC的COD去除率和最大功率密度均有提高。表明PC作为阳极修饰材料能够有效提升MFC性能,其简易的制作流程为大规模制备MFC阳极提供了可能。     

非金属碳基丙烷直接脱氢制丙烯催化剂研究进展

采用绿色可持续的催化剂替代传统贵金属或过渡金属催化剂是目前工业催化领域研究的重要方向。作为绿色催化剂中的重要成员之一,多孔碳基材料由于其独特的孔道结构、较大的比表面积、丰富的表面含氧官能团以及良好的导电性和抗腐蚀性,被广泛应用于生物、医药、电池和化工领域。近年来,非金属碳基催化剂被发现是一种良好的丙烷脱氢催化剂,具有替代传统Pt基和Cr基催化剂的应用前景,得到广泛关注。一般而言,碳基催化剂的催化活性与其表面性质和孔道结构有很大关系:(1)碳材料表面的含氧官能团、杂原子和缺陷位点等可以作为活性中心,活化丙烷分子中的碳氢键,实现脱氢的目的;(2)碳材料的孔道结构和电子特性等会影响反应物丙烷和反应产物丙烯分子的扩散和传质,进而影响碳基催化剂在丙烷脱氢反应中的活性、选择性和稳定性。综述近年来丙烷直接脱氢制丙烯碳基催化剂的研究进展,详细比较不同碳材料之间的优缺点和性能差异,系统讨论碳材料的活性位点和物化性质对其催化性能的影响,并对未来碳基丙烷脱氢催化剂的发展方向和应用前景进行展望。     

三向增强碳-碳复合材料拉伸断裂特性的研究

本文通过对于用中强碳纤维以高压工艺制得的三向增强碳-碳复合材料(简称三向碳-碳材料)进行拉伸性能测试和拉伸断口的扫描电镜观察,研究了三向碳-碳材料的拉伸断裂特性。三向碳-碳材料在拉伸应力作用下,其应力-应变曲线出现线弹性段和弹塑性段,显示“假塑性”特性。通过对三向碳-碳材料的微观结构和裂纹扩展的研究,提出了拉伸断裂的初步模式。在三向碳-碳材料中,纤维束是载荷的主要携带组元,纤维束中单丝的断裂是逐渐产生、发展和累积的结果,而不是突然发生的,因而认为三向碳-碳材料的拉伸断裂过程更接近于受累积断裂机理控制。