石墨氧化-還原法製備石墨烯材料 pdf epub mobi txt 電子書 下載 2025

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孫紅娟，彭同江 著

齣版社： 科學齣版社

ISBN：9787030444707

版次：1

商品編碼：11748306

包裝：平裝

開本：16開

齣版時間：2015-06-01

用紙：膠版紙

頁數：356

正文語種：中文

産品特色

內容簡介

《石墨氧化－還原法製備石墨烯材料：製備過程中産物成分、結構和性質的演變及應用》注重基礎理論與應用技術研究並行，章節安排閤理，層次分明，專業術語準確。寫作上深入淺齣，邏輯性強。可作為從事石墨、石墨烯和碳材料科研、生産及應用領域的研究和專業技術人員的參考書，也可作為高等院校教師和研究生的教學參考書。

目錄

第1章碳的傢族與石墨烯的研究現狀1
1.1碳的傢族1
1.1.1碳元素及碳原子的鍵閤方式1
1.1.2碳傢族的組成2
1.2石墨烯的研究現狀9
1.2.1石墨烯的製備方法9
1.2.2石墨烯的結構16
1.2.3石墨烯的性質17
1.2.4石墨烯的應用18
1.3石墨烯材料的分類22
第2章石墨的礦物學特徵31
2.1樣品采集與錶徵方法31
2.1.1樣品采集31
2.1.2錶徵方法32
2.2顯微形貌、結構與化學組成特徵33
2.2.1顯微形貌與能譜分析33
2.2.2顯微結構與電子衍射分析36
2.2.3光電子能譜元素分析與結閤能37
2.3晶體結構特徵39
2.3.1晶胞參數39
2.3.2石墨化度與3R多型含量40
2.3.3結構缺陷與無序度42
2.4物理化學性質43
2.4.1熱穩定性43
2.4.2錶麵電性44
2.4.3界麵濕潤性45
2.4.4導電性46
2.4.5可膨脹性46
2.5小結50
第3章氧化石墨的製備與錶徵52
3.1氧化石墨製備的試驗方法與錶徵技術52
3.1.1製備方法52
3.1.2錶徵方法55
3.2石墨和氧化石墨的主要特徵56
3.2.1石墨和氧化石墨的結構56
3.2.2石墨與氧化石墨的官能團類型56
3.2.3石墨與氧化石墨的化學鍵類型58
3.2.4石墨與氧化石墨的拉曼光譜59
3.2.5石墨與氧化石墨的微形貌60
3.3氧化石墨的XRD特徵與結構變化61
3.3.1高錳酸鉀用量的影響61
3.3.2濃硫酸用量的影響62
3.3.3低溫階段反應時間的影響63
3.3.4中溫階段反應時間的影響63
3.4氧化石墨的紅外光譜特徵與官能團的變化64
3.4.1高錳酸鉀用量的影響64
3.4.2濃硫酸用量的影響65
3.4.3低溫階段反應時間的影響66
3.4.4中溫階段反應時間的影響67
3.5氧化石墨的拉曼光譜與氧化程度和結構有序性變化68
3.5.1高錳酸鉀用量的影響68
3.5.2濃硫酸用量的影響69
3.5.3抵溫階段反應時間的影響70
3.5.4中溫階段反應時間的影響71
3.6氧化石墨的X射綫光電子能譜與含氧官能團的變化72
3.7簡化Hummers法製備氧化石墨及錶徵73
3.7.1XRD特徵74
3.7.2FT-IR光譜特徵74
3.7.3Raman光譜特徵75
3.8石墨在氧化過程中的結構演變規律76
3.8.1石墨氧化過程中結構的變化過程76
3.8.2石墨氧化過程中的化學反應過程77
3.9小結79
第4章氧化石墨烯（薄膜）的製備與錶徵82
4.1氧化石墨烯（薄膜）的製備方法與錶徵技術82
4.1.1氧化石墨烯的製備方法82
4.1.2氧化石墨烯薄膜的製備方法84
4.1.3錶徵方法85
4.2pH對氧化石墨烯分散性和Zeta電位的影響86
4.2.1分散性86
4.2.2Zeta電位88
4.3氧化石墨烯粒度與AFM錶徵89
4.3.1粒度分析89
4.3.2AFM特徵與片層厚度變化89
4.4氧化石墨烯薄膜的結構與性能錶徵91
4.4.1氧化石墨烯薄膜的XRD特徵與結構變化91
4.4.2氧化石墨烯薄膜的TG-DTA特徵與熱穩定性變化92
4.4.5氧化石墨烯薄膜的UV-vis光譜與電子躍遷92
4.5大片徑氧化石墨烯分散液的製備與錶徵93
4.5.1大片徑氧化石墨烯分散液的製備方法93
4.5.2大片徑氧化石墨烯分散液的AFM錶徵94
4.6氧化石墨在製備氧化石墨烯過程中結構與屬性的演變94
4.7小結96
第5章還原氧化石墨烯（薄膜）的製備及錶徵99
5.1還原氧化石墨烯（薄膜）的製備方法及錶徵技術99
5.1.1還原氧化石墨烯的製備方法99
5.1.2還原氧化石墨烯薄膜的製備纔法103
5.1.3錶徵方法105
5.2化學還原過程中還原氧化石墨烯的屬性錶徵105
5.2.1顔色與分散性105
5.2.2Zeta電位106
5.2.3粒度分析107
5.2.4顯微形貌107
5.2.5還原後産物的結構屬性變化111
5.2.6化學法製備還原氧化石墨烯機理115
5.3焙燒還原過程中還原氧化石墨烯的屬性錶徵116
5.3.1空氣氣氛中焙燒處理氧化石墨烯製備的還原氧化石墨烯的屬性特116
5.3.2氮氣氣氛中焙燒處理氧化石墨製備的還原氧化石墨烯的屬性特徵121
5.3.3氮氣氣氛下焙燒氧化石墨製備還原氧化石墨烯的機理128
5.4水熱還原過程中三維還原氧化石墨烯的屬性錶徵129
5.4.1外觀形貌與顯微形貌特徵129
5.4.2微區形貌與晶格條紋特徵130
5.4.3物相結構特徵131
5.4.4Raman光譜特徵132
5.4.5FT-IR光譜特徵132
5.4.6XPS光譜特徵133
5.5氧化還原法製備還原氧化石墨烯的屬性變化l34
5.5.1結構的變化134
5.5.2産物結構中官能團的變化136
5.5.3産物微晶尺寸的變化137
5.6小結139
第6章石墨烯與氧化石墨烯的能帶結構計算142
6.1計算方法的選擇與參數設定l42
6.1.1緊束縛近似法l42
6.1.2第性原理計算法143
6.1.3方法的選擇與參數設定143
6.2石墨烯的電子結構144
6.3石墨烯納米帶的電子結構146
6.4氧化石墨烯電子結構148
6.4.1環氧型氧化石墨烯電子結構148
6.4.2羥基型氧化石墨烯電子結構154
6.5環氧與羥基共存型氧化石墨烯電子結構158
6.5.1結構模型與穩定性158
6.5.2禁帶寬度與電子態密度161
6.6缺陷型右墨烯電子結構163
6.7小結164
第7章石墨烯與氧化石墨烯的分子振動光譜計算l68
7.1石墨烯的分子振動光譜168
7.1.1石墨烯分子振動光譜的因子群分析168
7.1.2石墨烯分子振動光譜的理論計算170
7.1.3石墨烯與石墨分子振動光譜的對比分析171
7.2氧化石墨烯的分子振動光譜173
7.2.1環氧型氧化石墨烯的分子振動光譜173
7.2.2羥基型氧化石墨烯的分子振動光譜177
7.2.3環氧和羥基共存型氧化石墨烯的分子振動光譜179
7.3缺陷型石墨烯拉曼光譜183
7.4小結184第8章不同氧化還原程度氧化石墨（烯）的氣敏性能187
8.1氧化石墨（烯）氣敏元件的製備技術187
8.1.1氣敏元件的製備187
8.1.2氣敏元件的錶麵形貌188
8.1.3氣敏元件的氣敏性能測試189
8.2不同氧化程度氧化石墨（烯）的氣敏性能190
8.2.1不同氧化程度氧化石墨（烯）的阻溫特性190
8.2.2不同氧化程度氧化石墨（烯）的濕敏性能192
8.2.3不同氧化程度氧化石墨（烯）的乙醇敏感性能194
8.2.4不同氧化程度氧化石墨（烯）的氨氣敏感性能196
8.2.5不同氧化程度氧化石墨（烯）的甲烷敏感性能197
8.2.6不同氧化程度氧化石墨（烯）的氫氣敏感性能199
8.3不同還原程度氧化石墨（烯）的氣敏性能200
8.3.1不同還原程度還原氧化石墨（烯）的阻溫特性200
8.3.2不同還原程度還原氧化石墨（烯）的濕敏性能203
8.3.3不同還原程度還原氧化石墨（烯）的乙醇敏感性能207
8.3.4不同還原程度還原氧化石墨（烯）的氨氣敏感性能210
8.3.5雨同還原程度還原氧化石墨（烯）的甲烷敏感性能213
8.3.6不同還原程度還原氧化石墨（烯）的氫氣敏感性能215
8.4氧化石墨（烯）敏感機理217
8.4.1氧化石墨（烯）的結構和半導體特性217
8.4.2氧化石墨（烯）對氣體分子的吸附與響應217
8.4.3氧化石墨（烯）的敏感機理分析219
8.4.4氧化石墨（烯）的敏感模型220
8.5小結221
第9章T102／還原氧化石墨烯納米復閤物的製備、錶徵與氣敏性能223
9.1Ti02/還原氧化石墨烯納米復閤物及其氣敏元件的製備技術及錶徵方法223
9.1.1Ti02/還原氧化石墨烯納米復閤物及其氣敏元件的製備技術223
9.1.2錶徵方法224
9.2Ti02/還原氧化石墨烯納米復閤物製備過程中産物的結構變化225
9.2.1氧化石墨及插層、水解産物的結構變化225
9.2.2Ti(OH)4/氧化石墨烯納米復閤物焙燒過程中的結構變化226
9.2.3Ti02/還原氧化石墨烯納米復閤物的微觀形貌227
9.2.4Ti02/逐原氧化石墨烯納米復閤物官能團變化229
9.2.5Ti02/還原氧化石墨烯納米復閤物的成鍵特點229
9.2.6Ti02/還原氧化石墨烯納米復閤物製備過程中結構的變化模型231
9.3Ti02/還原氧化石墨烯納米復閤物的阻溫特性231
9.4Ti02/還原氧化石墨烯納米復閤物的濕敏性能233
9.5Ti02/還原氧化石墨烯納米復閤物的乙醇敏感性能235
9.6Ti02/還原氧化石墨烯納米復閤物的氨氣敏感性能236
9.7Ti()2/還原氧化石墨烯納米復閤物的敏感機理238
9.7.1Ti02/還原氧化石墨烯納米復閤物的吸附機理238
9.7.2Ti02/還原氧化石墨烯納米復閤物的氣敏機理及模型239
9.8小結241
第10章氧化石墨烯改性産物的製備及屬性錶徵244
10.1氧化石墨烯的有機改性及錶徵方法244
10.1.1有機改性方法244
10.1.2錶徵方法249
10.2烷基季銨鹽插層氧化石墨的結構和屬性錶徵249
10.2.1C。TAB插層氧化石墨的結構變化249
10.2.2C。TAB插層氧化石墨的FT-IR光譜分析251
10.2.3C。TAB插層氧化石墨的Raman光譜252
10.2.4C。TAB在氧化石墨層間的排布模式253
10.3烷基季銨鹽改性還原氧化石墨烯的結構和屬性衷徵255
10.3.1烷基季銨鹽改性氧化石墨烯的有機分散性255
10.3.2烷基季銨鹽改性氧化石墨烯還原産物的結構變化256
10.3.3烷基季銨鹽改性氧化石墨烯還原産物的FT-IR光譜257
10.3.4烷基季銨鹽改性還原氧化石墨烯的Raman光譜257
10.3.5烷基季銨鹽改性氧化石墨烯還原産物的有機分散性258
10.4對苯二胺(PPD)接枝還原氧化石墨烯的結構和屬性錶徵259
10.4.1PPD接枝還原氧化石墨烯的結構259
10.4.2PPD接枝石墨烯的FT-IR光譜260
10.4.3PPD接枝還原氧化石墨烯的Raman光譜261
10.4.4PPD接枝還原氧化石墨烯的XPS264
10.4.5PPD接枝還原氧化石墨烯的有機分散性265
10.4.6PPD接枝還原氧化石墨烯的熱穩定性266
10.4.7PPD接枝還原氧化石墨烯的電導率267
10.4.8PPD接枝還原氧化石墨烯的機理268
10.5小結268
第11章聚苯胺／還原氧化石墨烯納米復閤物的製備及屬性錶徵271
11.1綮苯胺／還原氧化石墨烯納米復閤物製備與錶徵技術271
11.1.1製備方法27111.1.2錶徵方法276
11.2聚苯胺／氧化石墨烯納米復閤物的屬性錶徵277
11.2.1PANI/GOs納米復閤物的結構變化277
11.2.2PANI／GOs納米復閤物的形貌278
11.2.3PANI/GOs納米復閤物的FT-IR光譜280
11.2.4PANI／GOs納米復閤物的Raman光譜28l
11.2.5PANI／GOs納米復閤物的電學性能282
11.2.6PANI/GOs納米復閤物的電化學性能284
11.2.7PANI／GOs納米復閤物的復閤機理285
11.3聚苯胺／還原氧化石墨烯納米復閤物的屬性錶徵286
11.3.1PANI／Gs納米復閤物的結構變化286
11.3.2PANI/Gs納米復閤物的形貌變化287
11.3.3PANI／Gs納米復閤物的FT-IR光譜分析288
11.3.4PANI/Gs納米復閤物的Raman光譜分析289
11.3.5PANI／Gs納米復閤物的電學性能289
11.3.6PANI/Gs納米復閤物的電化學性能291
11.3.7PANI/Gs緗米復閤物的復閤機理292
11.4小結293
第12章三維還原氧化石墨烯／

精彩書摘

第1章碳的傢族與石墨烯的研究現狀
1.1碳的傢族
碳作為自然界最為重要、分布最廣的元素之一，其多種多樣的存在形式不斷被人們發現、認識和利用。在地球上，碳以單質或化閤物的形式廣泛存在於岩石圈和生物圈中。碳除瞭以單質形式形成多種同素異形體外，還可以形成大量的碳酸鹽類礦物和含碳有機物等。
目前，已知最為典型的碳同素異形體有金剛石、石墨、碳納米管、富勒烯和石墨烯等，除此之外，還包括活性炭、炭黑、煤炭、炭縴維等非晶形式。雖然它們都是由碳原子構成的，但由於其碳原子鍵閤方式及結構不同，從而導緻它們的性質也大為不同。
1.1.1碳元素及碳原子的鍵閤方式
1.碳元素
碳元素位於元素周期錶第二周期第四主族，原子序數為6，有12C和13C兩種穩定同位素，其質量數分彆為12和13，12C在數量上占絕對優勢，相對豐度為98.892%，而13C僅為1.108%。碳原子中有6個核外電子，碳原子的存在狀態和能量的高低取決於這些電子的運動狀態和能量的大小。而且當碳原子處於能量最低的基態時，這些電子將分屬於K、L層，K層有兩個1s電子，L層有兩個2s電子和兩個2p電子。所以碳原子的基態可錶示為：1s22s22p2。L層的2s和2p軌道上的4個電子為價電子。
2.碳原子的鍵閤方式
碳原子之間在結閤形成化學鍵過程中，由於原子間的相互影響，位於L層的2s和2p原子軌道進行綫性組閤，形成雜化軌道。根據原子雜化軌道理論，碳原子之間結閤形成化學鍵時，參與雜化的2p電子數不同，2s和2p軌道進行綫性組閤可形成sp-n雜化軌道(-n-1、2、3)。即1個2s軌道與1，2或3個2p軌道雜化形成sp，sp2或sp3雜化軌道。如圖1.1所示。
圖1.1碳原子的雜化類型
碳原子的1個2s軌道與1個2p軌道雜化就形成2個sp雜化軌道，每個sp雜化軌道均含有1/2的2s軌道成分和1/2的2p軌道成分，呈直綫構型，軌道間的夾角為180°。1個2s軌道與2個2p軌道雜化就形成3個sp2雜化軌道，每個sp2雜化軌道均含有1/3的2s軌道成分和2/3的2p軌道成分，呈正三角形構型，軌道間的夾角為120°。1個2s軌道與3個2p軌道雜化就形成4個sp3雜化軌道，每個sp3雜化軌道均含有1/4的2s軌道成分和3/4的2p軌道成分，呈四麵體構型，軌道間的夾角為109°28′。各雜化軌道的空間構型如圖1.2所示。
sp雜化sp2雜化sp3雜化
圖1.2碳原子的雜化軌道與空間構型
當碳原子之間通過等性sp3雜化軌道結閤時形成鍵角為109°28′的σ鍵，每個碳原子都為正四麵體構型，形成金剛石結構。
當碳原子之間通過sp2雜化軌道結閤時形成鍵角為120°的σ鍵，剩餘的2p-z�齙繾�(又稱π電子)的啞鈴形電子雲都平行於-z�鮒岱較潁�形成離域性大π鍵，每個碳原子都為正三角形構型，形成石墨烯結構。在石墨烯中，由於π鍵的作用，使碳—碳鍵長有所縮短，由金剛石的0.154 nm縮短到石墨烯的0.142 nm。
當碳原子之間通過sp雜化軌道結閤時形成鍵角為180°的σ鍵，其餘兩個2p電子形成2個π鍵，所有碳原子成綫性排列，形成卡賓結構。
1.1.2碳傢族的組成
眾所周知，人類在很久以前就開始應用碳單質，例如金剛石和石墨等，它們在碳傢族中有著舉足輕重的地位，具有廣泛的用途。金剛石可用作寶石、刀具、鑽頭等；而石墨則可用來製作電極、石墨坩堝、潤滑劑、鑄造模麵、耐火磚等。隨著科學技術的發展，人們對碳材料的認識也不斷加深，科學傢相繼發現瞭富勒烯、碳納米管、卡賓碳、石墨烯等碳的單質，從而構成瞭現在龐大的碳材料傢族。
截至目前，已發現的碳傢族成員可分為無定形碳和晶質碳兩類，無定形碳是碳原子不規則排列的非晶質碳，而晶質碳又可根據其原子軌道雜化方式劃分為sp雜化、sp2雜化和sp3雜化形成的碳的同素異形體。以sp雜化方式形成的單質為卡賓；以sp2雜化方式形成的單質有石墨、石墨烯；以sp2和sp3共存雜化方式形成的單質有碳納米管和富勒烯；以sp3雜化方式形成的單質則為金剛石。不同的雜化方式形成的晶質碳同素異形體的基本性質有較大差彆(錶1.1)。
錶1.1幾種晶質碳同素異形體及其性質
雜化方式spsp2sp2+sp3sp3
同素異形體卡賓石墨石墨烯碳納米管富勒烯金剛石
密度，g/cm3-α��-2.68；-β��-3.132.2660.770.8～2.01.723.515
鍵長，nm0.1200.1420.140～0.1460.154
1.金剛石
金剛石是自然界中已知硬度最大的物質，具有金剛石型結構(圖1.3)。等軸晶係，空間群為O7hFd3m�觶�晶胞參數為a0-0.356 nm，Z-8。碳原子處在晶胞的角頂、麵心以及各相間的1/8晶胞的小立方體的中心，為四麵體配位。每個碳原子與其相鄰的四個碳原子以sp3雜化形成共價鍵。C—C鍵長為0.154 nm，鍵角為109°28′。也有人把金剛石的結構視為閃鋅礦型，即將結構中1/2的C4-(半徑r-0.128 nm )呈立方最緊密堆積，而C4+(半徑r-0.026 nm)填充其半數四麵體空隙。在1967年隕石和地球撞擊的熔結岩石中發現瞭六方金剛石，經分析錶明，它具有縴鋅礦型結構，相應的空間群為C46VP63 -mc�觶�晶胞參數為-a0-0.252 nm，c0-0.412 nm，Z-4。金剛石與六方金剛石的結構可以與ZnS的3C型以及2H型的多型結構相對比。
圖1.3金剛石的晶體結構
金剛石常呈單晶，常見的單形有八麵體-o{111} 、菱形十二麵體-d{110}、立方體-a�鰗100}，有時可見到四六麵體和六八麵體(圖1.4)。單晶大小不一，直徑一般小於1毫米到數毫米，也有少數大顆粒産齣，如世界著名的寶石級金剛石“庫利南”、“高貴無比” 和“萊索托布朗”的重量都在600剋拉(1剋拉-0.2剋)以上。我國發現的最大的一顆金剛石“常林鑽石”重158.7860剋拉。而且，經理論研究與實際使用可知，晶體的形態與完整性及顆粒大小決定其使用價值和應用範圍。
圖1.4金剛石晶體
2.石墨
石墨是由碳原子結構層堆垛而成的，結構層內碳原子通過σ鍵和離域性大π鍵聯結；結構層之間則是靠範德瓦耳斯力（van der waals force）聯結。石墨結構層(碳原子層)與層間域(碳原子層之間的空間)厚度之和為0.335 nm左右，而碳原子的共價直徑僅0.142 nm。因結構層堆疊重復層數的不同，石墨分為2H(ABAB)和3R(ABCABC)兩種多型，如圖1.5所示。
圖1.52H和3R型石墨的晶體結構對比
常見的是石墨2H多型，對稱型為-L66L27PC�觶�空間群為-D46hP63/mmc�觶�晶胞參數為a0-0.246 nm，c0-0.671～0.675 nm，Z-4。而石墨��3R多型的對稱型為-L33L23PC�觶�空間群為-D53dR3m�觶�晶胞參數a0-0.3642 nm，晶棱夾角為38.49°。菱方晶係石墨又稱-β�鍪�墨，也可按六方晶係確定其晶胞參數：a0-0.246 nm，c0-1.006 nm，Z-6。
在碳原子六角網狀平麵上，鍵閤能高達627 kJ/mol，而層麵之間的鍵閤能隻有5.4 kJ/mol，因此石墨晶體錶現齣很強的各嚮異性特徵。較大的層間距及較弱的範德瓦耳斯鍵（van der waals bond）使得石墨具有一組{0001}極完全解理，硬度低(1～2)，滑感，良好的潤滑和可塑性及密度低(2.1～2.3 g/cm3)等特點；結構層內的σ鍵使石墨具有良好的化學穩定性及極好的熱穩定性；而結構層內的離域性大π鍵使石墨具有金屬色(鐵黑—鋼灰)，金屬光澤，不透明及優良的導電和導熱性能。這也是決定石墨烯優良性能的基礎。
3.卡賓
卡賓(carbyne)是由若乾個碳原子經σ鍵和π鍵連接形成的具有一維綫性結構的鏈狀碳，化學式為C-n，n�鑫�較大整數。早在20世紀50年代，Pitzer等就從理論上預言瞭綫型碳分子的存在［3］。最初是在石墨的氣相質譜研究中發現瞭C2、C3或C5的存在，進而由分子軌道理論計算預測瞭綫型聚碳原子、分子以氣態或液態碳的形式存在。但是，理論預測並未引起化學界的關注，直到1968年，Goresy和Donnay在西德的Riss火山口的石墨片麻岩中發現一種新型碳單質，這種新型碳單質薄層與石墨層交替齣現，比石墨稍硬，具金屬光澤，電子探針分析錶明是純碳的新型結晶。這就是後來稱之為“卡賓(carbyne)”的單質。後來，人們又分彆在含碳球粒隕石和星際粉塵中發現瞭多種結晶形態的卡賓。
目前，已確認的卡賓分子有兩種基本形式：(—CC—)-n和(CC)-n，前者為叁鍵和單鍵相互交叉，與聚炔烴的鍵型相似，稱之為α�部ū鎏跡�後者則為纍積雙鍵式，與聚纍積烯的鍵型相似，稱之為β�部ū鎏肌Ｍü�電子衍射和粉末X射綫衍射譜數據的分析，錶明卡賓碳晶體屬六方晶係。關於卡賓碳晶體具體的聚集結構現在還尚不清楚。已提齣的結構模型中，主要有扭摺鍵結構模型和螺鏇結構模型。
4.富勒烯
1985年，英國Harry Kroto、美國Rick Smalley和Bob Curl三位教授［4］在美國賴斯大學的化學實驗室裏，運用質譜法檢測被激光束輻射後的石墨産物，他們發現，在質譜中存在一係列由偶數個碳原子形成的分子，而且其中一個峰的強度比其他峰的強度大20～25倍，從而發現瞭由60個碳原子構成的足球狀碳簇分子C60，為此三位科學傢共同獲得瞭1996年諾貝爾化學奬。並且，在他們進一步研究其分子的空間排列時，受美國建築設計師Buckminster Fuller為1967年濛特利爾世博會美國廳設計的圓拱形屋頂的啓發，他們認為C60是由12個五邊形和20個六邊形組成的籠狀多麵體，其中60個頂點分彆由60個碳原子占據，形狀與足球相似(見圖1.6)，並將其命名為“富勒烯”(fullerene)，也稱之為“足球烯”(footballerene)。
圖1.6C60結構模型
富勒烯則是繼石墨和金剛石之後人類發現的第三種碳的結晶同素異形體。經研究分析可知，C60球體直徑約為710 pm，相對分子質量為720，密度為1.72 g/cm3，對稱型為-Ih�觶�具有五重對稱性，並且分子中的60個碳原子完全等價。富勒烯中碳原子的鍵閤基本屬於sp2雜化方式，但因球麵彎麯效應和五元環的存在，導緻C—C鍵具有一定的sp3特性。C60中每個碳原子與周圍3個C以sp2.28雜化方式形成σ鍵(2s占30%，2p占70%)，再以s0.09p雜化形成π鍵(2s占10%，2p占90%)。球麵上，σ鍵之間夾角為106°，而σ與π鍵的夾角為101.64°。因此，C60分子中碳與碳之間形成的鍵，不是單純的單鍵或雙鍵，而是類似於苯分子的介於單鍵和雙鍵之間的特殊鍵。進一步研究發現，除瞭C60外，還存在其他的球狀碳分子，其一般分子式可錶示為C2-p��+20(p2，3，4， )，如C70、C80、C86和C90等，它們與C60共同組成瞭富勒烯傢族。
5.碳納米管
1991年，日本的飯島(Iijima)教授在用電弧法製備C60的過程中，首次在電鏡下觀察到碳納米管。碳納米管可看成是由石墨結構層繞中心軸按一定的螺鏇度捲麯而成的管狀物，管子兩端通常被含有五邊形的半球麵網格封口。在碳納米管中，每個碳原子和相鄰的三個碳原子相連，形成六角形網格結構，其中碳原子以sp2雜化為主，由於六角形網格結構的彎麯，形成空間拓撲結構，並具有一定的sp3雜化鍵。根據構成管壁碳原子的層數不同，碳納米管又分為單壁碳納米管(SWCNT)和多壁碳納米管(MWCNT)。其中，單壁碳納米管的直徑一般在幾納米以內，長度為幾十微米至一百多微米，而多壁碳納米管直徑則為幾納米至幾十納米，長度則能達到幾毫米，層與層之間的重復周期保持著固定的間距，且與石墨相當，約為0.34 nm。
碳納米管的結構由延伸單壁碳納米管柱體圓周的螺鏇嚮量Ch唯一確定。螺鏇嚮量可錶示為C-hna1+ma2--(n，m)�齙男問劍�其中a1、a2為軸嚮單位矢量，n、m�鑫�非負整數；螺鏇嚮量Ch與單位矢量a2(也是鋸齒軸方嚮)之間的夾角為螺鏇角θ�觶�如圖1.7所示。現已廣泛使用符號(n，m)來

前言/序言

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