任莉君^* 王晓玲 田靖靖  

宝鸡文理学院化学化工学院，陕西宝鸡 721013

[摘  要]：碳的纳米材料种类多样，本文对结构化学中碳的纳米材料教学内容进行了拓展。通过介绍纳米金刚石、富勒烯、碳纳米管、石墨烯和石墨炔的结构、性质及应用，达到有效激发学生学习兴趣，开阔学生视野和提升学生综合素质能力的目的。

[关键词]：结构化学；碳；纳米材料；教学内容；教育教学论坛

[作者简介]：任莉君，讲师，博士，研究方向：超级电容器电极材料；

[基金项目]：宝鸡文理学院第十四批教育改革项目（19JGYB48），宝鸡文理学院博士研究启动项目（ZK2017031）

由周公度和段连运编著的《结构化学基础》第五版10.7章节中有关碳的纳米材料教学内容中简单介绍了纳米金刚石、石墨烯、碳纳米管和球碳化合物。碳在自然界中蕴藏量丰富，碳原子可以多种轨道杂化方式成键（sp、sp²、sp³），从而形成不同晶体结构。不同晶体结构的碳材料性质差别很大，有质脆可作润滑剂的石墨，也有质地坚硬可作研磨材料的金刚石（表1）^{[1, 2]}。当材料的尺寸达到纳米级别后，性质变化很大。目前，许多碳的纳米材料，如纳米金刚石、富勒烯、碳纳米管、石墨烯和石墨炔等已被研究开发，这些碳的纳米材料广泛应用于精密研磨、生物医学、传感、催化和储能等领域^[2-4]。当今社会是以信息化为主要特征的知识经济时代，将最新科研成果引入课堂教学环节，能够激发学生学习兴趣，使学生感受到所学知识的实用性，可有效提升学生综合素质能力。

1. 纳米金刚石

纳米金刚石是尺寸为纳米级别的晶体物质，虽然晶体结构与钻石相同，但其性质与普通钻石和人造金刚石相比有所不同。纳米金刚石具有高硬度、高热导率、良好绝缘性、独特光电特性、低摩擦系数等特性^[5]。纳米金刚石已广泛应用于聚晶工具材料的合成、精密研磨和抛光等。纳米金刚石也可作为功能材料：纳米金刚石经过高能射线辐射后，具有突出的荧光光学特性，可用于标记蛋白质分子进行荧光显微镜成像^[6]；张秀霞等利用纳米金刚石薄膜的耐高温、防腐蚀和自清洁特性，发明了一种太阳能电池板系统的窗口表面自清洁装置^[7]；纳米金刚石修饰的电解液也可为金属锂电极提供稳定的循环寿命^[8]。

表1 碳的几种同素异形体的性质和结构对比^[2]

2. 富勒烯C₆₀^[9]

    1985年碳原子簇结构分子C₆₀成功制备，C₆₀的笼型结构于1989年得到实验证实。C₆₀具有特殊的化学活性归因于其大p键结构，其在太阳能电池、生物医药等领域具有潜在应用前景。Choi等研究优化的富勒烯太阳能电池转换效率达7.9%；Prylutskyy等进行了C₆₀生理学研究，认为C₆₀可作为拦截抗生素阿霉素(一种抗肿瘤药)手段；Grynyuk等利用C₆₀联合治疗白血病，可使白血病L1210细胞在24 h内显著下降，且无细胞毒副作用。

3. 碳纳米管

自1991年日本科学家首次发现多壁碳纳米管以来，碳纳米管受到了研究者的高度关注^[10]。1993年单壁碳纳米管问世后，人们对碳纳米管有了更新的认识^{[11, 12]}。单壁碳纳米管的平均直径为1~2 nm，多壁碳纳米管的直径一般不超过50 nm。碳纳米管具有高的长径比，其长度可达微米甚至毫米级。碳纳米管的机械性能、化学性能、电性能和耐热性能十分优异，并具有奇特的磁和声等性质，广泛应用于在吸波材料、探头和传感器领域、催化剂载体、氢气储存和电化学储能等领域 ^[13-15]。彭练矛教授课题组2017年发表于《科学》的研究成果成功使用碳纳米管制造出芯片的核心元器件——晶体管，其工作速度3倍于英特尔最先进的14 nm商用硅材料晶体管，能耗只有其四分之一^[16]。EskoI Kauppinen等团队通过控制CO₂气流速度，利用浮动催化剂化学气相沉积法成功制备出彩色单壁碳纳米管薄膜，引入不同浓度CO₂，可制备出不同颜色单壁碳纳米管^[17]。

4. 石墨烯

2004年，石墨烯首次从天然石墨中分离出来^[18]，其由sp²杂化碳原子在二维空间排列成单层碳原子结构，具有离域大p键，厚度仅为0.335 nm^[19]。石墨烯是构成不同维度碳材料的基本单元。当具有一定缺陷（12个以上的五元环），晶格就会发生卷曲，形成零维富勒烯。若仅向一侧边缘定向卷曲直至柱状，则形成一维碳纳米管。当多层石墨烯通过范德华力层层堆积，会重组成三维结构石墨。石墨烯在催化、传感、电极材料等领域应用广泛^[20-22]。

单片石墨烯的优异性可转移至其宏观组装体上，如石墨烯纤维和石墨烯气凝胶等）：（1）石墨烯纤维具有良好的机械性能、电学性能和导热性能，可用于导电织物和储能、散热等领域^[23]。（2）石墨烯气凝胶是通过石墨烯纳米片间的堆叠和卷曲，形成的独特三维结构材料，不仅拥有石墨烯优异的电学和力学等性质，而且具有气凝胶的低密度及多重空隙结构特征，其在吸附材料、能量存储和转化、传感器等领域应用前景广阔。高超课题组制备的石墨烯气凝胶密度低至160 g cm^-3[24]。

5. 石墨炔

石墨炔由苯环以及炔键构建而成，是一种拥有丰富分子内孔道的二维材料。李玉良团队2010年首次制备石墨炔后，受到了国内外的广泛关注^[25]。石墨炔是一种发展潜力巨大的新型碳材料，其奇特的sp和sp²电子结构且具有本征带隙，展现了已发现碳材料尚未出现的性质。近年来，许多研究团队对石墨炔在太阳能电池、锂离子电池、电化学传感器和催化剂等方面的应用开展了系列前沿性探索研究，取得了可喜的研究成果^[26-28]。

结论：

本文以结构化学课程基本教学内容出发，引入学科前沿，通过介绍纳米金刚石、富勒烯、碳纳米管、石墨烯和石墨炔的结构、性质及应用。充分展示物质结构决定性质的内在联系，激发学生的学习兴趣，开拓学生视野，从而达到提高学生综合素质的教学目的。

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The content development of carbon nanomaterials

in structural chemistry

Ren Lijun* Wang Xiaoling Tian Jingjing

Department of Chemistry and Chemical Engineering, Baoji University of Arts and Sciences, Baoji, Shaanxi, 721013

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.

Keywords: Structural chemistry; Carbon; Nanomaterials; Teaching content