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中级无机课件-第6章

自然界发现的及人工合成的晶状线型碳都是寄生于其它晶体的晶面上,线型碳分子与该晶面正交。这种微量的薄膜不足以进行深人的结构研究,往往只能用电子衍射等手段进行表面分析。另外,由有机高分子脱氢或脱卤化氢制得的线型碳不稳定,而炔烃缩聚法制得的线型碳往往含金属离子或有机基团为端基。因而有人提出因线型碳链端碳原子价态不饱和,需有端基起稳定化作用,否则就会形成首尾相接的非平面环状结构。人工合成线型碳并非直线型而是折线型的高分子链。结晶线型碳的硬度比石墨大。 由于合成上的困难及难溶性,有关线型碳化学性质的研究很少。有人研究过线型碳在紫外光照射下与Cl2的反应,红外分析发现特征峰消失,由增重计算表明,每41个碳原子吸收1个Cl原子,显然其加成反应难以进行; 用N2O4氧化线型碳,在碳链上出现了羰基及硝基,且每15个碳原子吸收1个硝基。这些迹象表明了线型碳的化学惰性。 线型碳链端原子的活性可衍生出一类新物质。在链端引入金属离子或有机基团,不仅可以提高其稳定性,也可改善其溶解性。 有研究表明ReC≡C-C≡CRe及ReC=C=C=CRe均可同环戊二烯配位生成拉长的夹心配合物。 ★线型碳的应用前景 线型碳的惰性及结构特征使其可能成为优于碳纤维的超强纤维。线型碳对生物体的亲合性优于高分子材料,可能成为性能优异的生物医学材料。有报道,俄罗斯科学家已将线型碳用作外科手术的缝合线及人造动物器官,并申请了发明专利。 线型碳可能提供一个非高温高压条件下合成金刚石的新途径。至于令人关注的常温超导性,尽管至今的实验结果令理论工作者失望,但须说明的是已报导的人工合成线型碳并非直线型的高分子线型碳。如果能够合成无限长链的直线型β-线型碳晶体,就可能解开这个谜。 6.3.3 纳米碳管 1991年日本科学家Iijima在高倍隧道电子显微镜下发现了碳纳米管,碳纳米管的管壁在电镜下清晰可辨,从中可以辨认单壁碳纳米管和多壁碳纳米管,并得到碳纳米管的直径及其在样品中的分布。 纯化前和纯化后的单壁碳纳米管影像 单壁碳纳米管和双壁碳纳米管的截面影像 纳米碳管(NTs)以其特有的力学、电学和化学性质,独特的准一维管状分子结构和在未来高科技领域中所具有的许多潜在的应用价值,迅速成为化学、物理及材料科学等领域的研究热点。 不过,纳米碳管是否属于碳的同素异形体在学术上还存在争议。 多壁碳纳米管、单壁碳纳米管(下右)结构示意图 纳米碳管(NTs)即管状的纳米级石墨晶体,是单层或多层石墨片围绕中心轴,按一定的螺旋角卷曲形成的无缝纳米级管,管端基本上都封口。每层纳米管是一个由碳原子通过sp2杂化与周围3个碳原子完全键合后所构成的六边形平面组成的圆柱面。其平面六角晶胞边长为246 pm,最短的C-C键长142 pm。根据制备方法和条件的不同,纳米碳管存在多壁纳米碳管(MWNTs)和单壁纳米碳管(SWNTs)两种表式。多壁纳米碳管的层间接近ABAB……堆垛,其层数从2~50不等,层间距为与石墨层间距(0.34 nm)相当。单壁纳米碳管典型的直径大约为0.75 nm,长度从几十纳米到1 微米。 ★碳纳米管的结构 如将纳米碳管在空气中加热,其管端封口会因氧化而破坏,从而形成开口的管子。将低熔金属用电子束蒸发后凝聚于开口的纳米碳管上,由于虹吸作用,金属熔体便进入中空的纳米管芯部,从而形成纳米丝或纳米棒。纳米丝或纳米棒的直径为几个纳米,长度为几百个纳米。 无论是多壁纳米碳管还是单壁纳米碳管都具有很高的长径比, 一般为100~1000, 最高可达1000~10000, 完全可以认为是一维分子。 目前,碳纳米管的制备方法有多种,其中电弧放电和催化热裂解是两种使用较广的方法。 电弧放电法中阴极采用厚约10 mm,直径约30 mm的高纯高致密的石墨片,阳极采用直径约6 mm的石墨棒,整个系统保持在气压约l04 Pa的氦气气氛中,放电电流为50 A左右,放电电压20 V,通过调节阳极进给速度,可以保持在阳极不断消耗和阴极不断生长的同时,两电极放电端面间的距离不变,从而可以得到大面积离散分布的碳纳米管。 催化热裂解法制备的碳纳米管结构较单一、纯度较高。一般采用催化剂Ni作为衬底材料,在700 ℃温度下催化裂解乙烯制备碳纳米管。 ★碳纳米管的制备 纳米碳管有许多特异的物理性能。如纳米碳管的热导与金刚石相近,电导高于铜。但纳米碳管的应用研究还在探索阶段: (1)高强度碳纤维

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