結(jié)構(gòu)化學(xué)中碳的納米材料內(nèi)容拓展

任莉君 王曉玲 田靖靖

摘要：碳的納米材料種類(lèi)多樣，文章對(duì)結(jié)構(gòu)化學(xué)中碳的納米材料教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行了拓展。通過(guò)介紹納米金剛石、富勒烯、碳納米管、石墨烯和石墨炔的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)及應(yīng)用，達(dá)到有效激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、開(kāi)闊學(xué)生視野和提升學(xué)生綜合素質(zhì)能力的目的。

關(guān)鍵詞：結(jié)構(gòu)化學(xué);碳;納米材料;教學(xué)內(nèi)容

中圖分類(lèi)號(hào)：G642.0 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? 文章編號(hào)：1674-9324（2020）14-0102-03

由周公度和段連運(yùn)編著的《結(jié)構(gòu)化學(xué)基礎(chǔ)》第五版10.7章節(jié)中有關(guān)碳的納米材料教學(xué)內(nèi)容中簡(jiǎn)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(yùn)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(jié)構(gòu)。不同晶體結(jié)構(gòu)的碳材料性質(zhì)差別很大，有質(zhì)脆可作潤(rùn)滑劑的石墨，也有質(zhì)地堅(jiān)硬可作研磨材料的金剛石（見(jiàn)下表）[1，2]。當(dāng)材料的尺寸達(dá)到納米級(jí)別后，性質(zhì)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(kāi)發(fā)，這些碳的納米材料廣泛應(yīng)用于精密研磨、生物醫(yī)學(xué)、傳感、催化和儲(chǔ)能等領(lǐng)域[2-4]。當(dāng)今社會(huì)是以信息化為主要特征的知識(shí)經(jīng)濟(jì)時(shí)代，將最新科研成果引入課堂教學(xué)環(huán)節(jié)，能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，使學(xué)生感受到所學(xué)知識(shí)的實(shí)用性，可有效提升學(xué)生的綜合素質(zhì)能力。

一、納米金剛石

納米金剛石是尺寸為納米級(jí)別的晶體物質(zhì)，雖然晶體結(jié)構(gòu)與鉆石相同，但其性質(zhì)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(dǎo)率、良好絕緣性、獨(dú)特光電特性、低摩擦系數(shù)等特性[5]。納米金剛石已廣泛應(yīng)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(jīng)過(guò)高能射線輻射后具有突出的熒光光學(xué)特性，可用于標(biāo)記蛋白質(zhì)分子進(jìn)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(fā)明了一種太陽(yáng)能電池板系統(tǒng)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(wěn)定的循環(huán)壽命[8]。

二、富勒烯C60[9]

1985年碳原子簇結(jié)構(gòu)分子C60成功制備，C60的籠型結(jié)構(gòu)于1989年得到實(shí)驗(yàn)證實(shí)。C60具有特殊的化學(xué)活性歸因于其大π鍵結(jié)構(gòu)，其在太陽(yáng)能電池、生物醫(yī)藥等領(lǐng)域具有潛在應(yīng)用前景。Choi等研究?jī)?yōu)化的富勒烯太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換效率達(dá)7.9%;Prylutskyy等進(jìn)行了C60生理學(xué)研究，認(rèn)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(lián)合治療白血病，可使白血病L1210細(xì)胞在24小時(shí)內(nèi)顯著下降，且無(wú)細(xì)胞毒副作用。

三、碳納米管

自1991年日本科學(xué)家首次發(fā)現(xiàn)多壁碳納米管以來(lái)，碳納米管受到了研究者的高度關(guān)注[10]。1993年單壁碳納米管問(wèn)世后，人們對(duì)碳納米管有了更新的認(rèn)識(shí)[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(guò)50nm。碳納米管具有高的長(zhǎng)徑比，其長(zhǎng)度可達(dá)微米甚至毫米級(jí)。碳納米管的機(jī)械性能、化學(xué)性能、電性能和耐熱性能十分優(yōu)異，并具有奇特的磁和聲等性質(zhì)，廣泛應(yīng)用于在吸波材料、探頭和傳感器領(lǐng)域、催化劑載體、氫氣儲(chǔ)存和電化學(xué)儲(chǔ)能等領(lǐng)域[13-15]。彭練矛教授課題組2017年發(fā)表于《科學(xué)》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(jìn)的14nm商用硅材料晶體管，能耗只有其四分之一[16]。EskoI Kauppinen等團(tuán)隊(duì)通過(guò)控制CO2氣流速度，利用浮動(dòng)催化劑化學(xué)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(lái)[18]，其由sp2雜化碳原子在二維空間排列成單層碳原子結(jié)構(gòu)，具有離域大π鍵，厚度僅為0.335nm[19]。石墨烯是構(gòu)成不同維度碳材料的基本單元。當(dāng)具有一定缺陷（12個(gè)以上的五元環(huán)）時(shí)，晶格會(huì)發(fā)生卷曲，形成零維富勒烯。若僅向一側(cè)邊緣定向卷曲直至柱狀，則形成一維碳納米管。當(dāng)多層石墨烯通過(guò)范德華力層層堆積，會(huì)重組成三維結(jié)構(gòu)石墨。石墨烯在催化、傳感、電極材料等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[20-22]。

單片石墨烯的優(yōu)異性可轉(zhuǎn)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(jī)械性能、電學(xué)性能和導(dǎo)熱性能，可用于導(dǎo)電織物和儲(chǔ)能、散熱等領(lǐng)域[23]。（2）石墨烯氣凝膠是通過(guò)石墨烯納米片間的堆疊和卷曲，形成的獨(dú)特三維結(jié)構(gòu)材料，不僅擁有石墨烯優(yōu)異的電學(xué)和力學(xué)等性質(zhì)，而且具有氣凝膠的低密度及多重空隙結(jié)構(gòu)特征，其在吸附材料、能量存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)化、傳感器等領(lǐng)域應(yīng)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(huán)以及炔鍵構(gòu)建而成，是一種擁有豐富分子內(nèi)孔道的二維材料。李玉良團(tuán)隊(duì)2010年首次制備石墨炔后，受到了國(guó)內(nèi)外的廣泛關(guān)注[25]。石墨炔是一種發(fā)展?jié)摿薮蟮男滦吞疾牧?，其奇特的sp和sp2電子結(jié)構(gòu)具有本征帶隙，展現(xiàn)了已發(fā)現(xiàn)碳材料尚未出現(xiàn)的性質(zhì)。近年來(lái)，許多研究團(tuán)隊(duì)對(duì)石墨炔在太陽(yáng)能電池、鋰離子電池、電化學(xué)傳感器和催化劑等方面的應(yīng)用開(kāi)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(jié)論

本文以結(jié)構(gòu)化學(xué)課程基本教學(xué)內(nèi)容出發(fā)，引入學(xué)科前沿，通過(guò)介紹納米金剛石、富勒烯、碳納米管、石墨烯和石墨炔的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)及應(yīng)用，充分展示了物質(zhì)結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)的內(nèi)在聯(lián)系，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，開(kāi)闊學(xué)生的視野，從而達(dá)到提高學(xué)生綜合素質(zhì)的教學(xué)目的。

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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