結構化學中碳的納米材料內容拓展

任莉君 王曉玲 田靖靖

摘要：碳的納米材料種類多樣，文章對結構化學中碳的納米材料教學內容進行了拓展。通過介紹納米金剛石、富勒烯、碳納米管、石墨烯和石墨炔的結構、性質及應用，達到有效激發學生學習興趣、開闊學生視野和提升學生綜合素質能力的目的。

關鍵詞：結構化學;碳;納米材料;教學內容

中圖分類號：G642.0 ? ? 文獻標志碼：A ? ? 文章編號：1674-9324（2020）14-0102-03

由周公度和段連運編著的《結構化學基礎》第五版10.7章節中有關碳的納米材料教學內容中簡單介紹了納米金剛石、石墨烯、碳納米管和球碳化合物。碳在自然界中蘊藏量豐富，碳原子可以多種軌道雜化方式成鍵（sp、sp2、sp3），從而形成不同晶體結構。不同晶體結構的碳材料性質差別很大，有質脆可作潤滑劑的石墨，也有質地堅硬可作研磨材料的金剛石（見下表）[1，2]。當材料的尺寸達到納米級別后，性質變化很大。目前，許多碳的納米材料，如納米金剛石、富勒烯、碳納米管、石墨烯和石墨炔等已被研究開發，這些碳的納米材料廣泛應用于精密研磨、生物醫學、傳感、催化和儲能等領域[2-4]。當今社會是以信息化為主要特征的知識經濟時代，將最新科研成果引入課堂教學環節，能夠激發學生的學習興趣，使學生感受到所學知識的實用性，可有效提升學生的綜合素質能力。

一、納米金剛石

納米金剛石是尺寸為納米級別的晶體物質，雖然晶體結構與鉆石相同，但其性質與普通鉆石、人造金剛石相比有所不同。納米金剛石具有高硬度、高熱導率、良好絕緣性、獨特光電特性、低摩擦系數等特性[5]。納米金剛石已廣泛應用于聚晶工具材料的合成、精密研磨和拋光等。納米金剛石也可作為功能材料：納米金剛石經過高能射線輻射后具有突出的熒光光學特性，可用于標記蛋白質分子進行熒光顯微鏡成像[6];張秀霞等利用納米金剛石薄膜的耐高溫、防腐蝕和自清潔特性，發明了一種太陽能電池板系統的窗口表面自清潔裝置[7];納米金剛石修飾的電解液也可為金屬鋰電極提供穩定的循環壽命[8]。

二、富勒烯C60[9]

1985年碳原子簇結構分子C60成功制備，C60的籠型結構于1989年得到實驗證實。C60具有特殊的化學活性歸因于其大π鍵結構，其在太陽能電池、生物醫藥等領域具有潛在應用前景。Choi等研究優化的富勒烯太陽能電池轉換效率達7.9%;Prylutskyy等進行了C60生理學研究，認為C60可作為攔截抗生素阿霉素（一種抗腫瘤藥）的手段;Grynyuk等利用C60聯合治療白血病，可使白血病L1210細胞在24小時內顯著下降，且無細胞毒副作用。

三、碳納米管

自1991年日本科學家首次發現多壁碳納米管以來，碳納米管受到了研究者的高度關注[10]。1993年單壁碳納米管問世后，人們對碳納米管有了更新的認識[11，12]。單壁碳納米管的平均直徑為1nm—2nm，多壁碳納米管的直徑一般不超過50nm。碳納米管具有高的長徑比，其長度可達微米甚至毫米級。碳納米管的機械性能、化學性能、電性能和耐熱性能十分優異，并具有奇特的磁和聲等性質，廣泛應用于在吸波材料、探頭和傳感器領域、催化劑載體、氫氣儲存和電化學儲能等領域[13-15]。彭練矛教授課題組2017年發表于《科學》的研究成果成功使用碳納米管制造出芯片的核心元器件——晶體管，其工作速度3倍于英特爾最先進的14nm商用硅材料晶體管，能耗只有其四分之一[16]。EskoI Kauppinen等團隊通過控制CO2氣流速度，利用浮動催化劑化學氣相沉積法成功制備出彩色單壁碳納米管薄膜，引入不同濃度的CO2，可制備出不同顏色單壁碳納米管[17]。

四、石墨烯

2004年，石墨烯首次從天然石墨中分離出來[18]，其由sp2雜化碳原子在二維空間排列成單層碳原子結構，具有離域大π鍵，厚度僅為0.335nm[19]。石墨烯是構成不同維度碳材料的基本單元。當具有一定缺陷（12個以上的五元環）時，晶格會發生卷曲，形成零維富勒烯。若僅向一側邊緣定向卷曲直至柱狀，則形成一維碳納米管。當多層石墨烯通過范德華力層層堆積，會重組成三維結構石墨。石墨烯在催化、傳感、電極材料等領域應用廣泛[20-22]。

單片石墨烯的優異性可轉移至其宏觀組裝體上，如石墨烯纖維和石墨烯氣凝膠等。（1）石墨烯纖維具有良好的機械性能、電學性能和導熱性能，可用于導電織物和儲能、散熱等領域[23]。（2）石墨烯氣凝膠是通過石墨烯納米片間的堆疊和卷曲，形成的獨特三維結構材料，不僅擁有石墨烯優異的電學和力學等性質，而且具有氣凝膠的低密度及多重空隙結構特征，其在吸附材料、能量存儲和轉化、傳感器等領域應用前景廣闊。高超課題組制備的石墨烯氣凝膠密度低至160 g cm-3[24]。

五、石墨炔

石墨炔由苯環以及炔鍵構建而成，是一種擁有豐富分子內孔道的二維材料。李玉良團隊2010年首次制備石墨炔后，受到了國內外的廣泛關注[25]。石墨炔是一種發展潛力巨大的新型碳材料，其奇特的sp和sp2電子結構具有本征帶隙，展現了已發現碳材料尚未出現的性質。近年來，許多研究團隊對石墨炔在太陽能電池、鋰離子電池、電化學傳感器和催化劑等方面的應用開展了一系列前沿性探索研究，取得了可喜的研究成果[26-28]。

六、結論

本文以結構化學課程基本教學內容出發，引入學科前沿，通過介紹納米金剛石、富勒烯、碳納米管、石墨烯和石墨炔的結構、性質及應用，充分展示了物質結構決定性質的內在聯系，激發學生的學習興趣，開闊學生的視野，從而達到提高學生綜合素質的教學目的。

參考文獻：

[1]Bao H.H.，Wang L.，Li C.，Luo J.，Structural characterization and identifification of graphdiyne and graphdiyne-based materials，ACS Appl.Mater.Interfaces，2019，（11）：2717-2729.

[2]Li Y.J.，Xu L.，Liu H.B.，Li Y.L.，Graphdiyne and graphyne：from theoretical predictions to practical construction [J].Chem.Soc.Rev.，2014，（43）：2572-2586.

[3]Jiang H.，Lee P.S.，Zhong C.，Li 3D carbon based nanostructures for advanced supercapacitors [J].Energy Environ.Sci.，2013，（6）：41-53.

[4]Lu S.N.，Xie N.，Feng L.C.，Zhong J.，Applications of nanostructured carbon materials in constructions：the state of the art [J].J.Nanomater.，2015：1-10.

[5]Williams O.A.，Nanocrystalline diamond [J].Diamond Relat.Mater.，2011，（20）：621-640.

[6]張旺璽，王艷芝，梁寶巖，李啟泉，羅 偉，孫長紅，成曉哲，孫玉周.納米金剛石基于功能材料應用的研究現狀[J].材料導報A，2018，（32）：2183-2188.

[7]張秀霞，楊小聰，魏舒怡，等.一種太陽能電池板系統的窗口表面自清潔裝置[S].中國，102832259B [P].2016-03-30.

[8]Cheng X.B.，Zhao M.Q.，Chen C.，Amanda P.，Kathleen M.，Tyler M.，Zhang X.Q.，Zhang Q.，Jiang J.J.，Yury G.，Nanodiamonds suppress the growth of lithium dendrites [J].Nat.Commun.，2017，（8）：336-344.

[9]曾碩勛，馮 敏，姜 玲，材料科學研究熱點與前沿挖掘——以富勒烯為例[J].中國材料進展，2019，（38）：161-166.

[10]Iijima S.，Helical microtubules of graphitic carbon [J].Nature，1991，（354）：56-58.

[11]Bethune D.，Klang C.，Vries M.D.，Gorman G.，Savoy R.，Vazquez J.，Cobalt-catalysed growth of carbon nanotubes with single-atomic-layer walls [J].Nature，1993，（363）：605-607.

[12]Iijima S.，Ichihashi T.，Single-shell carbon nanotubes of 1-nm diameter [J].Nature，1993，（363）：603-605.

[13]Kharlamova M.V.，Sauer M.，SaitoT.，Sato Y.，Suenaga K.，Pichler T.，Shiozawa H.，Doping of single-walled carbon nanotubes controlled via chemical transformation of encapsulated nickelocene [J].Nanoscale，2015，（7）：1383-1391.

[14]Kang D.Y.，Moon J.H.，Carbon nanotube balls and their application in supercapacitors [J].ACS Appl.Mater.Interfaces，2014，（6）：706-711.

[15]Wang Q.，Wen Z.，Li J.，A hybrid supercapacitor fabricated with a carbon nanotube cathode and a TiO2-B nanowire anode [J].Adv.Funct.Mater.，2006，（16）：2141-2146.

[16]Qiu，C.，Zhang，Z.，Xiao，M.，Yang，Y.，Zhong，D.，Peng，L.M.，Scaling carbon nanotube complementary transistors to 5-nm gate lengths [J].Science，2017，（355）：271-276.

[17]Yong P.L.，Hua J.，Nan W.，Patrik L.H.，Qiang Z.，Sabbir A.Khan，E.I.K.，Direct synthesis of colorful single-walled carbon nanotube thin films [J].J.Am.Chem.Soc.，2018，（140）：9797-9800.

[18]Novoselov K.S.，Geim A.K.，Morozov S.V.，Jiang D.，Zhang Y.，Dubonos S.V.，Grigorieva I.V，Firsov A.A.，Electric field effect in atomically thin carbon films[J].Science，2004，（306）：666-669.

[19]Raccichini R.，Varzi A.，Passerini S.，Scrosati B.，The role of graphene for electrochemical energy storage [J].Nature Mater.，2015，（14）：271-279.

[20]Zhao Y.，Hu C.，Song L.，Wang L.，Shi G.，Dai L.，Qu L.，Functional graphene nanomesh foam [J].Energy Environ.Sci.，2014，（7）：1913-1918.

[21]Kemp K.C.，Seema H.，Saleh M.，Le N.H.，Mahesh K.，Chandra V.，Kim K.，Environmental applications using graphene composites：water remediation and gas adsorption [J].Nanoscale，2013，（5）：3149-3171.

[22]Sha C.，Lu B.，Mao H.，Cheng J.，Pan X.，Lu J.，Ye Z.，3D ternary nanocomposites of molybdenum disulfide/polyaniline/reduced graphene oxide aerogel for high performance supercapacitors [J].Carbon，2016，（99）：26-34.

[23]Yang Z.P.，Zhao W.，Niu Y.T.，Zhang Y.Z.，Wang L.B.，Zhang W.J.，Xiang X.，Li Q.W.，Direct spinning of high-performance graphene fiber supercapacitor with a three-plycore-sheath structure [J].2018，（132）：241-248.

[24]Sun H.，Xu Z.，Gao C.，Aerogels：multifunctional，ultra-flyweight，synergistically assembled carbon aerogels [J].Adv.Mater.，2013，（25）：2632.

[25]Li.G.X.，Li Y.L.，Liu H.B.，Guo Y.，Li Y.G.，Zhu D.B.，Architecture of graphdiyne nanoscale films [J].Chem.Commun.，2010，（46）：3256-3258.

[26]Srinivasu K.，Ghosh S.K.，Graphyne and graphdiyne：promising materials for nanoelectronics and energy storage applications [J].J.Phy.Chem.C，2012，（116）：5951-5956.

[27]Jin Z.，Yuan M.，Li H.，Hui Y.，Graphdiyne：an efficient hole transporter for stable high-performance colloidal quantum dot solar cells [J].Adv.Funct.Mater.，2016，（26）：5284-5289.

[28]Lu C.，Yang Y.，Wang J.，Fu R.P.，Zhao X.X.，Zhao L.，Ming Y.，Hu Y.，Lin H.Z.，Tao X.M.，Li Y.L.，Chen W.，High-performance graphdiyne-based electrochemical actuators [J].Nat.Commun.，2018，（9）：752-761.

Abstract：Various kinds of carbon nanomaterials have been developed，the teaching content of carbon nanomaterials in Structural Chemistry are expanded in this paper.Based on introducing the structures，properties，and applications of the nanodiamond，fullerenes，carbon nanotubes，graphene，and graphite acetylene，the students' learning interest，horizons and comprehensive quality and ability can be promoted effectively.

Key words：Structural Chemistry;Carbon;Nanomaterials;teaching content