碳纳米管;石墨烯;及碳纳米管-石墨烯复合材料

目录摘要 (I)Abstract ............................................................................................................................................. I I 1 石墨烯. (1)1.1 石墨烯简介 (1)1.2 石墨烯的结构和性质 (2)1.2.1 石墨烯的结构 (2)1.2.2 石墨烯的性质 (4)1.3 石墨烯的表征 (5)1.4 石墨烯的主要制备方法 (6)2 碳纳米管 (8)2.1 碳纳米管的发现及发展历程 (8)2.2 碳纳米管的结构和分类 (9)2.2.1碳纳米管的结构 (9)2.2.2碳纳米管的分类 (11)2.3 碳纳米管的生长机理 (12)2.3.1 顶部生长机理 (12)2.3.2 底部生长机理 (13)2.4 碳纳米管的性能 (14)2.4.1 碳纳米管的力学性能 (14)2.4.2 热学性能 (14)2.4.3 碳纳米管的电学性能 (15)2.4.4 光学性能 (16)2.5碳纳米管的制备 (16)2.5.1 电弧放电法 (16)2.5.2 激光蒸发法 (17)2.5.3 化学气相沉积法 (18)2.6.碳纳米管的预处理 (19)2.6.1 碳纳米管的纯化 (19)2.6.2 碳纳米管的分散 (19)2.6.3碳纳米管的活化 (20)2.7碳纳米管的应用 (20)2.7.1 在电磁学与器件方面 (20)2.7.2 在信息科学方面 (21)2.7.3 储氢方面 (21)2.7.4 制造纳米材料方面 (21)2.7.5 催化方面 (22)2.8 存在问题及发展方向 (22)3碳纳米管/石墨烯复合材料 (22)3.1 从碳纳米管、石墨稀到碳纳米管/石墨稀复合材料发展历程 (22)3.2 碳纳米管/石墨烯复合材料结构 (23)3.3碳纳米管/石墨稀复合材料的制备 (24)3.3.1电化学序列自组装沉积法 (24)3.3.2 CVD法 (25)3.4 碳纳米管/石墨烯复合材料研究进展 (25)4结论 (28)5 参考文献 (28)摘要自从2004年发现石墨烯以来，由于其和二维结构相关的优异性能，石墨烯很快就成为材料科学和凝聚态物理研究的热点课题。

碳与石墨介绍碳，生命之源，它是地球上一切有机体生物的骨架元素，是构成人体最重要的元素。

碳：既是最硬又是最软的材料，既是绝缘体又是导电体，既是隔热材料又是导热材料，既是全吸光材料又是全透光材料。

石墨是碳的一种同素异形体，石墨与金刚石、碳60、碳纳米管、石墨烯等都是碳元素的单质互为同素异形体。

石墨是碳元素的结晶矿物之一，具有耐高温、抗腐蚀、抗热震、强度大、韧性好、自润滑强度高、导热、导电、可塑性、涂敷性等特有的物理化学性能，广泛应用于冶金、机械、电子、电池、金刚石超硬材料、核工业、化工、轻工、军工、国防、石油勘探、航天及耐火材料等行业，是当今高新技术发展必不可少的非金属材料。

石墨烯介绍石墨烯的发现：2004年，英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·盖姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫，两位科学家通过使用胶带反复剥离石墨的方法在绝缘基底上获得了单层或少层的石墨烯并研究其电学性能，发现其具有特殊的电子特性以及优异的电学、力学、热学和光学性能，从而掀起了石墨烯研究的热潮。

2010年10月5日，瑞典皇家科学院授予他们俩诺贝尔物理学奖。

石墨烯：石墨烯是一种由碳原子以sp²杂化轨道组成六角形呈蜂巢晶格的二维碳纳米材料。

单层石墨烯的厚度只有 0.335 纳米，相当于一根头发的20万分之一，1mm厚的石墨中将近有150万层左右的石墨烯。

石墨烯几乎是完全透明的，透光率高达97.4%，具有优异的光学性能。

石墨烯作为一种人类已知强度最高、韧性最好、质量最轻、透光率最高、导电性最佳的材料，集光、电、力学性能于一身，开创了21世纪的新材料纪元，正在引领新材料领域的颠覆性革命。

石墨烯的性能：机械性能：石墨是矿物质中最软的，但被分离成一个碳原子厚度的石墨烯后，性能则发生突变，其硬度比金刚石还高，却又拥有很好的韧性，且可以弯曲，能够拉伸20%而不断裂。

超薄性：单层石墨烯只有一个碳原子的厚度，即0.335纳米，相当于一根头发的20万分之一的厚度，1毫米厚的石墨中将近有150万层左右的石墨烯。

石墨烯和纳米碳材料的导热性能的研究Alexander A. Balandin近年来，在科学领域和工程领域，人们越来越多地去关注导热性能好的材料。

散热技术已经成为电子工业持续发展的一个重要的话题，低维结构的材料在热传导方面显示出了优异的性能。

就导热能力而言，碳的同素异构体及其衍生品占据了举足轻重的地位。

在室温下的碳材料的导热系数跨越了一个非常大的范围——超过了五个数量级——从导热系数最低的无定型碳到导热系数最高的石墨烯和碳纳米管。

在这里，我回顾一下以石墨烯碳材料为热点的最近热性能的研究成果，碳纳米管和纳米级的碳材料在研究方面遇到了不同程度的难题。

在二维晶体材料方面，尤其是石墨烯，人们非常关注尺寸对热传导的影响。

我也描述了石墨烯和碳材料在电子传热机理上的应用前景。

实际生产应用和基础科学的发展表明了材料热性能研究的重要性。

由于功耗散热水平的提高，导热技术已经成为电子工业持续发展的一个非常重要的热点。

对导热性能非常好的材料的研究严重影响着下一代集成电路和3D 电子产品的设计进程。

在光电子和光子设备领域我们也遇到了类似的需要导热处理的问题。

另外，电热能量转换技术需要材料具有很强的抑制热扩散的能力。

材料的导热能力由其电子结构决定，所以一种材料热性能原理可以描述另外一种材料的热性能现象。

材料热性能的变化只是在纳米尺度上变化。

由于声子散射边界的增多或者声子色散的变化，纳米管和大多数晶体将不再传热。

同时，对二维和一维晶体的热传导理论的研究解释了材料内在优异的热传导性能的原因。

二维晶体导热性能的差异意味着不像非晶体那样，它恢复材料的热平衡不能仅仅靠晶体的非简谐振动，因为这不但需要限制系统的尺寸，而且还需要掺杂进非晶体结构，这样才能符合热传导性能的物理意义。

这些发现引发了在低维系统中对傅里叶定律的实用性的非议。

碳材料具有非常多的同素异构体，在热性能方面占据了举足轻重的低位（如图，1a ）。

碳材料不同的同素异构体的热传导率跨越了很大的一个范围——五个数量级——非晶碳的热导率为0.01W . mK −1，在室温条件下金刚石或者石墨烯的热导率为大约2000W. mK−1。

碳纳米管与石墨烯的对比研究碳纳米管与石墨烯是近年来备受关注的两种碳纳米材料，它们在材料科学、纳米技术、电子学等领域展现出了巨大的应用潜力。

碳纳米管是一种具有特殊结构的碳材料，其具有优异的导电、热导性能和机械性能，因此被广泛应用于电子器件、储能设备、传感器等领域。

而石墨烯作为一种二维碳材料，具有单层原子厚度、高导电性、高柔韧性等优异特性，被认为是未来电子学领域的重要材料之一。

本文将对碳纳米管与石墨烯这两种碳纳米材料进行对比研究，探讨它们的结构特点、性能表现以及应用前景。

碳纳米管的特点主要体现在其结构和性能上。

碳纳米管是一种单层碳原子经过卷曲而成的管状结构，可以分为单壁碳纳米管和多壁碳纳米管。

单壁碳纳米管具有更优异的导电性能和机械性能，而多壁碳纳米管则具有更好的化学稳定性。

石墨烯则是由单层碳原子按照六角网格排列而成的二维材料，其具有优异的导电性、光学透明性和柔韧性，是一种理想的电子器件材料。

由于碳纳米管和石墨烯的结构特点不同，因此它们的性能表现也有所区别。

碳纳米管具有优异的导电性和热导性，这与其特殊的结构有关。

碳纳米管中的碳原子呈现出sp²杂化轨道结构，使其具有较高的电子迁移率和载流子迁移速度。

这种结构使得碳纳米管在高频、高速电子器件中具有广泛应用前景。

此外，由于碳纳米管是一种一维纳米材料，具有较高的长度宽比，因此具有优异的载流子输运性能。

在材料学领域，碳纳米管还被用作纳米填料，用于增强复合材料的机械性能。

石墨烯作为一种二维碳材料，其导电性能更为突出。

石墨烯的导电性可以达到铜的几倍甚至几十倍，因此在柔性电子器件、传感器、透明导电膜等领域有着广泛的应用前景。

石墨烯的柔韧性和透明性也为其在柔性电子器件领域带来了很大的机遇。

除了导电性能，碳纳米管和石墨烯还具有优异的力学性能。

碳纳米管具有很高的拉伸强度和模量，以及较好的韧性，因此被广泛用于强化复合材料。

其高强度和低密度还使得碳纳米管可能成为未来轻质高强材料的候选。

石墨烯对比碳纳米管材料2005年，国际半导体技术线路图(ITRS)委员会首次明确指出在2020年前后硅基CMOS 技术将达到其性能极限。

后摩尔时代的集成电路技术的研究变得日趋急迫，很多人认为微电子工业在走到7纳米技术节点之后可能不得不面临放弃继续使用硅材料作为晶体管导电沟道。

在为数不多的可能替代材料中，碳基纳米材料被公认为最有可能替代硅材料。

2008年ITRS新兴研究材料和新兴研究器件工作组在考察了所有可能的硅基CMOS替代技术之后，明确向半导体行业推荐重点研究碳基电子学，作为未来5~10年显现商业价值的下一代电子技术。

美国国家科学基金委员会(NSF)十余年来除了在美国国家纳米技术计划中继续对碳纳米材料和相关器件给予重点支持外，在2008年还专门启动了“超过摩尔定律的科学与工程项目”，其中碳基电子学研究被列为重中之重。

其后美国不断加大对碳基电子学研究的投入，美国国家纳米计划从2010年开始将“2020年后的纳米电子学”设置为3个重中之重的成名计划(signatureinitiatives)之一。

除美国外，欧盟和其他各国政府也高度重视碳纳米材料和相关电子学的研究和开发应用，布局和继续抢占信息技术核心领域的制高点。

碳纳米管材料中，最有可能替代硅的有两个，碳纳米管和石墨烯。

在石墨烯获得诺贝尔奖之前，碳纳米管一直被认为是最有可能代替硅的半导体材料，而如今，由于石墨烯在全球范围内的狂热，似乎有代替碳纳米管之势，那么，石墨烯和碳纳米管，究竟谁能堪当大任呢？碳纳米管集成电路的研发优势与发展现状1991年，日本NEC公司的饭岛澄男在高分辨透射电子显微镜下检验石墨电弧设备中产生的球状碳分子时，意外发现了由碳分子组成的管状同轴纳米管，也就是现在被称作的碳纳米管CNT，又名巴基管。

碳管材料具有极为优秀的电学特性。

室温下碳管的n型和p型载流子(电子和空穴)迁移率对称，均可以达到10000cm2/(V?s)以上，远超传统半导体材料。

关于石墨烯和石墨烯复合材料的综述石墨烯是目前发现的唯一存在的二维自由态原子晶体, 它是构筑零维富勒烯、一维碳纳米管、三维体相石墨等sp2杂化碳的基本结构单元, 具有很多奇异的电子及机械性能。

自从2004 年发现以来，研究者对这种材料在未来技术革命方面提出了大量的建设性创意，石墨烯被认为是未来能够取代硅的一种新型电子材料。

石墨烯是只有一个原子厚的结晶体，具有超薄、超坚固和超强导电性等特性，其优异的电学、热学和力学性能，在纳米电子器件、储能材料、光电材料等方面的潜在应用价值引起了科学界新一轮的“碳”热潮。

它不仅是已知材料中最薄的一种，还非常牢固坚硬，仅仅是一个原子的厚度，并形成了高质量的晶体格栅，石墨烯的结构，是由碳原子六角结构紧密排列构成的二维单层石墨，是构造其他维度碳质材料的基本单元。

它可以包裹形成0 维富勒烯，也可以卷起来形成一维的碳纳米管，同样，它也可以层层堆叠构成三维的石墨。

石墨烯结构非常稳定，迄今为止，研究者仍未发现石墨烯中有碳原子缺失的情况。

石墨烯中各碳原子之间的连接非常柔韧，当施加外部机械力时，碳原子面就弯曲变形，从而使碳原子不必重新排列来适应外力，也就保持了结构稳定。

这种稳定的晶格结构使碳原子具有优秀的导电性。

石墨烯中的电子在轨道中移动时，不会因晶格缺陷或引入外来原子而发生散射。

由于原子间作用力十分强，在常温下，即使周围碳原子发生挤撞，石墨烯中电子受到的干扰也非常小。

大量制备尺寸、厚度可控的石墨烯材料对石墨烯基材料的应用具有重要的意义。

制备石墨烯可以归结为两个基本的思路：一是以石墨为原料，通过削弱以及破坏石墨层间的范德华力来剥开石墨层从而得到石墨烯：二是基于活性碳原子的定向组装，“限制”碳原子沿平面方向生长。

基于上述思想，化学剥离法、SiC 表面石墨化法和金属表面外延法等一些新的方法相继被报道。

本人通过大量的归纳总结，共总结出以下七种方法。

机械剥离法就是利用机械力，将石墨烯片从具有高度定向热解石墨(Highly Oriented Pyrolytic Graphite, HOPG）表面剥离开来。

石墨烯与碳纳米管：一样的前生，不一样的今世精选|关键词:石墨烯, 碳纳米管2010年10月4日，诺贝尔物理学奖揭晓，获奖者是英国曼彻斯特大学物理和天文学院的Andre Geim和Konstantin Novoselov，获奖理由为“二维空间材料石墨烯（graphene）方面的开创性实验”。

从2004年石墨烯被成功剥离[1]至2010年斩获诺贝尔奖，是什么魔力让这一看似“普通”的碳材料在短短的6年时间内缔造了一个传奇神话？而回眸看其同族兄弟碳纳米管，自1991年被发现至今近20年，历经风雨，几经沉浮，不过是“为他人做嫁衣裳”。

石墨烯即为“单层石墨片”，是构成石墨的基本结构单元；而碳纳米管是由石墨烯卷曲而成的圆筒结构（图1）。

作为一维（1D）和二维（2D）纳米材料的代表者，二者在结构和性能上具有互补性。

从结构上来看，碳纳米管是碳的一维晶体结构；而石墨烯仅由单碳原子层构成，是真正意义上的二维晶体结构。

从性能上来看，石墨烯具有可与碳纳米管相媲美或更优异的特性，例如高电导率和热导率、高载流子迁移率、自由的电子移动空间、高强度和刚度等。

网上大多溢美之词：“Pencil + sticky tape = desktop supercollider + post-silicon processors”，“Material of the Future”，“A thoroughbred that has to be tamed”，“Electron superhighway”，...。

目前，关于碳纳米管的研究，无论在制备技术、性能表征及应用探索等方面都已经达到了一定的深度和广度。

组成及结构上的紧密联系，使二者在研究方法上具有许多相通之处。

事实上，很多针对石墨烯的研究最开始都是受到碳纳米管相关研究的启发而开展起来的。

图1 石墨烯与碳纳米管石墨烯的发展历程与碳纳米管极为类似。

在碳纳米管被发现之前，碳的晶体结构为代表[2]）。

碳纳米管和石墨烯的制备和应用近年来，碳纳米管和石墨烯作为纳米材料的代表，备受人们的关注。

这两种材料具有独特的结构和性质，在电子、光学、力学等领域有着广泛的应用前景。

本文将从碳纳米管和石墨烯的制备方法入手，探讨它们在不同领域的应用。

一、碳纳米管的制备碳纳米管是由碳元素构成的空心圆柱形结构，具有优异的力学、导电性和导热性能。

目前，碳纳米管的制备方法主要有热解法、化学气相沉积法、电化学法等。

其中，热解法是最早发现并用于碳纳米管生长的方法。

该方法的原理是在一定温度下，将一定的碳源（如甲烷、乙炔等）和催化剂（如金属镍、铁、钴等）放入反应釜中，通过化学反应得到碳纳米管。

该方法制备的碳纳米管品质较高，但操作复杂，设备成本高。

化学气相沉积法是目前常用的制备碳纳米管的方法之一。

该方法在高温和高压的条件下，将碳源和催化剂引入反应釜，形成气相反应，得到碳纳米管。

该方法制备的碳纳米管品质较好，且操作简单，设备成本相对较低。

电化学法是新近发展的一种碳纳米管制备方法。

该方法利用电化学过程，在特定电位下，通过碳源电解得到碳纳米管。

该方法制备的碳纳米管品质较好，且操作简单，设备成本也相对较低。

二、碳纳米管的应用碳纳米管具有优异的力学和电学性能，因此在电子、传感、能源等方面有广泛的应用。

1.电子领域碳纳米管具有比硅和铜更好的导电性和导热性，在微电子器件中有着广泛的应用。

例如，碳纳米管晶体管具有高电流开关和系统响应速度，可以用于高速数据处理和通信系统。

2.生物传感和药物输送领域碳纳米管的比表面积大、生物相容性好、生物荧光性强等优点，使得其在生物传感和药物输送领域有广泛的应用。

例如，利用碳纳米管在胶体中的性质，可以制备高度灵敏的生物传感器和药物递送系统。

3.能源领域由于碳纳米管具有高导电性和导热性能，可以用于制备高效的电池、超级电容器、太阳能电池等。

例如，采用碳纳米管作为电极材料，可以制备高性能的锂离子电池。

三、石墨烯的制备石墨烯是由碳元素构成的单层蜂窝状结构，具有极高的强度和导电性。

碳材料科学在新能源领域中的应用随着能源需求不断增长，新能源技术的发展已成为各国的共同目标。

在这一背景下，碳材料科学的研究逐渐成为了新能源技术领域中的热点。

本文将探讨碳材料科学在新能源领域中的应用。

一、碳材料科学的基础碳材料科学是一门应用性极强的科学，它的研究对象是以碳素为主要组成元素的材料。

常见的碳材料包括石墨烯、碳纳米管、金刚石等。

这些材料具有很强的化学稳定性、机械强度和导电性，因此在电化学、催化剂等领域中有广泛的应用。

其中，石墨烯是一种由单层碳原子组成的二维材料，具有超高导电性、超薄透明性和极高的表面积，广泛应用于储能器、太阳能电池、传感器等领域。

而碳纳米管是一种由套在一起的碳管组成的新型纳米材料，也被广泛应用于能源、电子学和材料科学等领域。

二、碳材料在电池中的应用1. 硅负极材料的改良现行的锂离子电池负极大多数采用石墨材料。

然而，石墨材料不能满足未来电池高能量密度、高比容量以及快速充放电的需求。

此外，硅作为一种高容量负极材料，也被广泛应用于电池领域。

但是，由于其体积变化造成的松散化和体积扩张等问题，一直阻碍了硅负极材料的大规模应用。

在这一领域，石墨烯、碳纳米管等碳材料的出现，已经为改良硅负极材料带来了新的机会。

例如，将硅和石墨烯以及碳纳米管复合后，可以大大提高硅负极的容量和电导率，从而加强锂离子电池的性能表现。

2. 电解液增强在锂离子电池中，电解质是起着导电和中和电子的关键作用，在电池中起着至关重要的作用。

用优质电解质会得到更好的电解质效果，提高电池性能。

很多研究表明，一些碳材料在电解液中增加的电导修饰作用，使其能有效提高电池性能。

特别是石墨烯、碳纳米管等碳材料的添加，还可以形成高表面积的复合电极材料，提高电池的能量密度、比容量和循环性能。

三、碳材料在太阳能电池中的应用由于能源紧张和环境污染问题愈加严峻，太阳能光伏发电已经成为未来清洁能源的主要形式之一，并且已经得到了广泛的应用。

太阳能电池的性能表现取决于太阳辐射的接收效率和电能转换效率。

石墨烯和碳纳米管在橡胶中的分散性研究近年来，石墨烯和碳纳米管（CNTs）在各种领域的应用受到越来越多的关注，但它们的分散性仍然是一个关键问题。

橡胶是一种重要的高分子基材，它具有柔韧性、耐磨性和耐腐蚀性等优点。

因此，将石墨烯和CNTs分散在橡胶中可以提升材料的性能。

石墨烯和CNTs本身是一种非极性物质，而橡胶则具有半极性，两者之间的接触面积小。

由于石墨烯和CNTs具有对手性，如果没有相应的润湿剂，就无法有效分散在橡胶中。

当前，研究人员积极研究如何将石墨烯和CNTs分散在橡胶中以充分利用它们的优异性能。

最常用的方法是将石墨烯和CNTs分散在乙二醇（EG）中，然后用乙二醇将其跨越橡胶-空气界面。

将这种EG-CNTs或EG-石墨烯涂层可以使其与橡胶发生紧密接触，从而提高添加剂的分散均匀性，提高材料的可加工性和性能。

此外，还有一种氧化石墨烯-橡胶复合材料，这些材料具有优异的耐热性和耐腐蚀性，并可以用于包覆管道和绝缘线材等电子部件。

使用石墨烯的好处是它具有很高的耐冲裁度，尤其是在高温条件下，很容易将其分散在橡胶中，从而大大提高橡胶的热稳定性。

此外，将石墨烯和CNTs添加到橡胶中还可以改善橡胶的抗撕裂性和耐磨性。

它们可以充当隔离层，防止橡胶破裂或磨损，从而提高材料的耐久性和使用寿命。

另外，石墨烯和CNTs还具有优异的力学性能，可以提高橡胶的刚度和强度，从而提供更好的抗拉强度和抗拉伸性。

同时，它们也可以改善橡胶的延伸性和抗压强度，使橡胶更加坚固耐用。

总之，石墨烯和CNTs分散在橡胶中可以大大提高材料的物理性能和表面性能。

首先，他们可以提供优异的抗热抗冲性能，改善材料的耐磨性和抗撕裂性。

此外，它们还能改善材料的力学性能，提供更好的抗拉强度和抗拉伸性，以及更好的抗压强度。

因此，研究橡胶中石墨烯和CNTs的分散性具有重要的意义，为未来应用开发提供重要的科学基础。