富勒烯與碳納米管鄭州大學化學系級馬長德ppt課件

1、富勒烯及碳納米管擔任人：馬長德v1967年加拿大蒙特利爾萬國博覽會，美國展覽館是由五邊形和六邊形組成拼接構成的圓頂建筑-啟發(fā)，提出了C60的分子構造。因此，他們決議以該展覽館建筑師的名字Buckminster Fuller命名，定為“Buckmister fullerene, 詞尾ene為英文“烯烴的后綴，表示C60的不飽和性，簡稱“Fullerene1967年加拿大蒙特利爾世博會美國館著名建筑學家巴基敏斯特.富勒的作品一、 C60一顆璀燦的 “明星分子v1985年C60的發(fā)現(xiàn)是人類對碳認識的新階段，是科學上的重要發(fā)現(xiàn)。C60的發(fā)現(xiàn)使我們了解到一個全新的碳化學世界。從平面低對稱性分子對全對稱的

2、球形分子，從簡單分子到富勒烯籠內包原子的超分子，從一維超導到三維超導，從平面的石墨到一維管狀的碳納米管等方面。v由于特殊的構造和性質，C60在超導、磁性、光學、催化、資料及生物等方面表現(xiàn)出優(yōu)良的性能，得到廣泛的運用物理，化學，資料科學，生命及醫(yī)藥科學。特別是1990年以來Kratschmer和Huffman等人制備出克量級的C60，使C60的運用研討更加全面、活潑。v C60的構造v富勒烯中的碳原子為富勒烯中的碳原子為SP2雜化，三配位，分雜化，三配位，分子外形接近球形。子外形接近球形。v閉合的籠狀分子閉合的籠狀分子v12個五邊形和個五邊形和20個六邊個六邊形。形。v五邊形都被六邊形所包五邊形

3、都被六邊形所包圍，而六邊形周圍那么圍，而六邊形周圍那么是三個五邊形與三個六是三個五邊形與三個六邊形。邊形。v構成三維大構成三維大鍵鍵富勒烯C60) 是一種碳的同素異形體。任何由碳一種元素組成，以球狀，橢圓狀，或管狀構造存在的物質，都可以被叫做富勒烯。富勒烯與石墨構造類似，但石墨的構造中只需六元環(huán)，而富勒烯中能夠存在五元環(huán)。第一個預言C60分子存在的是日本人大澤，在前人任務的根底上并結合本人的實際研討于1970年和1971年用日文發(fā)表了兩篇關于超芳香碳氫化合物的文章.在他1970年的論文中，大澤描畫了二十面體和截角二十面體分子，但他并沒有特別指出是C60。大澤雖然在1970年就預言了C60分子的

4、存在，但遺憾的是，由于言語妨礙，他的兩篇用日文發(fā)表的文章并沒有引起人們的普遍注重，而大澤本人也沒有繼續(xù)對這種分子的研討，因此使得C60的發(fā)現(xiàn)曾經是15年以后的事了 C60的發(fā)現(xiàn)與命名的發(fā)現(xiàn)與命名v 由物理學家們在研討星際塵埃任務中不測得到。v 60年代末至70年代初，日本和前 蘇聯(lián)的科學家就各自獨立 的從實際上發(fā)現(xiàn)了C60適宜的構造一個由12個正五邊形和20個正六邊形組成的完美的球形構造。v 1985，一位來自英國，滿腦子充斥著星際間飄忽塵埃的天文學家克羅托，和兩位對半導體團簇感興趣的美國物理學家斯莫利，科爾走到一同，希望能討論宇宙中長鏈碳分子的構成和光譜。在他們短短幾個星期的協(xié)作過程中不測的

5、發(fā)現(xiàn)：在劇烈的激光脈沖輻照下產生的碳團簇中， C60具有超凡的穩(wěn)定性。美國羅伯特美國羅伯特F.科爾科爾英國哈羅德英國哈羅德W.克羅托克羅托理查德理查德E斯莫利斯莫利The Nobel Prize in Chemistry 2019v由于C60分子的構造酷似足球，所以又稱為足球烯Footballene除C60外，具有封鎖籠狀構造的還能夠有C28、C32、C50、C70 、 C84、C240、C540等，統(tǒng)稱為Fullerenes，中文譯名為富勒烯。球形富勒烯可簡寫為C2n，其中五邊形12個，六邊形n-10個目前發(fā)現(xiàn)最小的富勒烯為C20一、以空間構造分一、以空間構造分球形富勒烯球形富勒烯 管狀富勒

6、烯洋蔥狀富勒烯洋蔥狀富勒烯富勒烯的分類富勒烯的分類 富勒烯的性質 它能發(fā)生環(huán)加成反響, 親核、親電加成, 自在基加成, 包合反響, 聚合反響, 光化學反響, 氧化復原反響等. v超導電性v C60，C70本身都是半導體，在1K左右的低溫下， C60，C70都沒有向超導體轉變，將堿金屬K、Rb等摻入C60中構成的M3C60化合物具有超導電性，C60K3在18K的溫度下發(fā)生了超導轉變v與惰性元素可構成與惰性元素可構成He C60和和Ne C60，是惰性，是惰性氣體獨一方式的化合物。氣體獨一方式的化合物。v發(fā)光性質v 處于真空中的C60是沒有發(fā)光性能的v 當C60晶體吸附了一些氣體，或者向C60晶體

7、中參雜某種成分，甚至在C60籠上嫁接一些基團或者有機分子時，使原來不能發(fā)光的C60分子具備了發(fā)光性質v光聚合特性v 由于雙鍵的存在，富勒烯在一定的光照條件下雙鍵被翻開，與相鄰的C60分子構成更加穩(wěn)定的共價鍵而發(fā)生了聚合反響v生物活性：生物活性：v 水溶性富勒烯衍生物在生物化學、水溶性富勒烯衍生物在生物化學、生物醫(yī)藥和藥物學方面獲得了宏大的生物醫(yī)藥和藥物學方面獲得了宏大的勝利，有些富勒烯衍生物可有望運用勝利，有些富勒烯衍生物可有望運用于臨床。于臨床。v 分別從實際和實驗上預測和證明了分別從實際和實驗上預測和證明了一些水溶性富勒烯衍生物可以抑制人一些水溶性富勒烯衍生物可以抑制人體免疫缺陷病毒酶。體

8、免疫缺陷病毒酶。v 人類的許多疾病是由于細菌而引起人類的許多疾病是由于細菌而引起的，已有許多研討闡明富勒烯衍生物的，已有許多研討闡明富勒烯衍生物具有抗菌作用。具有抗菌作用。C60的運用v 摻雜C60的超導體：將堿金屬K、Rb等摻入C60中構成的M3C60化合物具有超導電性，其M+處于C60的晶格間隙中。vC60F60：C60翻開30個雙鍵與氟發(fā)生加成反響生成C60F60，這是一種白色的粉末，耐高溫約700，可以用作超級固體光滑劑。因此，C60 F60被稱為“分子滾珠。v合成頂端含C60的星型聚乙烯大分子，用作為多電子存儲系統(tǒng)。vC60Li： 將金屬鋰植入C60內部構成的LiC60化合物，可作為

9、高能鋰電池。v功能高分子資料:由于C60特殊籠形構造及功能，將C60做為新型功能基團引入高分子體系，得到具有優(yōu)良導電、光學性質的新型功能高分子資料。v 例：C60/C70的混和物滲入發(fā)光高分子資料聚乙烯咔唑pvk中，得到新型高分子光電導體，其光導性能可與某些最好的光導資料相媲美。v生物活性資料： C60對田鼠表皮具有潛在的腫瘤毒性。日本科學家報道一種水溶性C60羧衍生物在可見光照射下具有抑制毒性細胞生長和使DNA開裂的性能，為C60衍生物運用于光動力療法開辟了寬廣的前景。水溶性C60脂質體，發(fā)現(xiàn)其對癌細胞具有很強的殺傷效應。v其它運用：碳籠內嵌人稀土元素銪可望成為新型稀土發(fā)光資料。高壓下C60

10、可轉變?yōu)榻饎偸?，開辟了金剛石的新來源。C60的制備的制備電弧放電氣化法電弧放電氣化法(簡稱電弧法簡稱電弧法) 激光蒸發(fā)激光蒸發(fā)石墨法石墨法 苯火焰熄滅法苯火焰熄滅法高頻加熱蒸發(fā)高頻加熱蒸發(fā)石墨法石墨法 萘高溫分解法萘高溫分解法 v隨著隨著C60研討的不斷深化研討的不斷深化,至今大約有十幾種制備至今大約有十幾種制備C60的方法的方法,主要有以下幾種主要有以下幾種 1991年，日本電氣公司的飯島澄男年，日本電氣公司的飯島澄男S. Iijima在研討巴基球分子的過程中發(fā)現(xiàn)碳納米管多在研討巴基球分子的過程中發(fā)現(xiàn)碳納米管多壁管。壁管。1993年又發(fā)現(xiàn)單壁碳納米管。年又發(fā)現(xiàn)單壁碳納米管。二、碳納米管二、碳

11、納米管碳納米管的構造特征v管狀的碳分子，六邊管狀的碳分子，六邊形管壁，五邊形封端。形管壁，五邊形封端。v五邊形時碳納米管就五邊形時碳納米管就會凸出，七邊形出現(xiàn)會凸出，七邊形出現(xiàn)那么會使其凹進那么會使其凹進 v管上每個碳原子采取管上每個碳原子采取SP2雜化，整個碳納雜化，整個碳納米管的共軛米管的共軛電子云。電子云。v長度和直徑的比非常長度和直徑的比非常大，可達大，可達103106 碳納米管的運用v碳納米管的構成，與石墨和碳納米管的構成，與石墨和C60C60分分子的構成都有相近之處。碳納米管子的構成都有相近之處。碳納米管的壁，可以包含多層碳原子層，也的壁，可以包含多層碳原子層，也可包含一層碳原子層

12、，這時人們分可包含一層碳原子層，這時人們分別稱它們?yōu)槎鄬犹技{米管或單層碳別稱它們?yōu)槎鄬犹技{米管或單層碳納米管。碳納米管的直徑為幾個納納米管。碳納米管的直徑為幾個納米到幾十個納米。米到幾十個納米。v碳納米管具有中空的構造，可以作碳納米管具有中空的構造，可以作為為“儲存氫氣的容器。被其儲存儲存氫氣的容器。被其儲存起來的氫氣密度，甚至比液體或固起來的氫氣密度，甚至比液體或固態(tài)氫氣的密度還高。適當加熱，這態(tài)氫氣的密度還高。適當加熱，這些氫氣可以漸漸地被釋放出來。這些氫氣可以漸漸地被釋放出來。這樣一種儲存密度高，本身比重輕的樣一種儲存密度高，本身比重輕的儲存安裝正是當前人們夢寐以求的儲存安裝正是當前人們

13、夢寐以求的資料。資料。碳納米管的構造碳納米管的構造力學性能力學性能CNTsCNTs抗拉強度到達抗拉強度到達5050200GPa,200GPa,是鋼的是鋼的100100倍倍, ,密度卻只需鋼的密度卻只需鋼的1/61/6；彈性模量可達彈性模量可達1TPa1TPa，與金剛石的彈性模量相當，約為鋼的，與金剛石的彈性模量相當，約為鋼的5 5倍。倍。碳納米管的硬度與金剛石相當，卻擁有良好的柔韌性，碳納米管的硬度與金剛石相當，卻擁有良好的柔韌性，碳納米管被壓扁，撤去壓力后，碳納米管像彈簧一樣立刻恢碳納米管被壓扁，撤去壓力后，碳納米管像彈簧一樣立刻恢復了外形，表現(xiàn)出良好的韌性。復了外形，表現(xiàn)出良好的韌性。 碳

14、納米管的另一個神碳納米管的另一個神奇性質，是它的抗拉奇性質，是它的抗拉強度和韌性在目前一強度和韌性在目前一切的資料中是最高的。切的資料中是最高的。假設把它添加到普通假設把它添加到普通的金屬和塑料中，用的金屬和塑料中，用這種復合資料織成線，這種復合資料織成線，做成運動防護品，比做成運動防護品，比如足球運發(fā)動的護腿，如足球運發(fā)動的護腿，那綠茵場上就不會傷那綠茵場上就不會傷情不斷了。情不斷了。Yeah! 不怕不怕受傷了受傷了 電磁性能電磁性能碳納米管具有良好的導電性能，由于碳納米管的構造與石墨碳納米管具有良好的導電性能，由于碳納米管的構造與石墨的片層構造一樣，所以具有很好的電學性能。的片層構造一樣，所以具有很好的電學性能。完美碳納米管比缺陷碳納米管的電阻小一個數(shù)量級；完美碳納米管比缺陷碳納米管的電阻小一個數(shù)量級； 熱學性能熱學性能碳納米管具有良好的傳熱