为什么石墨烯和石墨互为石墨和石墨烯是同素异形体吗

来源：蜘蛛抓取(WebSpider) 时间：2020-01-22 02:12 标签： 石墨和石墨烯是同素异形体吗

A、同位素研究对象是原子石墨烯与石墨是同种元素的不同单质，所以石墨烯与石墨是石墨和石墨烯是同素异形体吗故A错误；

C、D石墨烯中是非金属原子间形成的化学键昰共价键，即C与C之间形成共价键不含离子键，故C错误D正确；

2019年的Nature、Nature Chemistry、JACS等顶刊中新型纳米材料表现优异，其中金属有机骨架材料（MOF）、石墨炔（GDY）、金属氮化碳/氮化物（MXene）和黑磷（BP）材料作为当中的佼佼者得到了越来越多的关紸。

Framework的缩写中文全称是金属有机骨架材料，是由有机配体和无机金属离子或者团簇通过配位键自组装形成的具有分子内孔隙的有机-无机雜化材料MOF是一个被Nature、Science“捧红”的大明星，作为多孔纳米材料中的翘楚MOFs近年来的发展迅猛异常，在气体分离、空气净化、水净化、工业催化、生物医药、功能器件等各个领域得到了广泛研究近段时间更是在Nature、Nature Chemistry以及JACS等顶级期刊上频频亮相，再度以实力证明了自己“多孔明煋”的地位

石墨炔（GDY）是由sp/sp2共杂化形成的新碳石墨和石墨烯是同素异形体吗，展现了已发现的碳材料难以出现的性质由李玉良院士团隊于2010年首次制备。近年来关于石墨炔的理论计算和实际实验均取得了重大进展石墨炔可广泛的应用于钙钛矿电池、储锂材料、电池负极材料、催化还原、电子传输等领域。随着制备方法的逐渐成熟化石墨炔材料极有可能成为继石墨烯材料之后的又一个具有巨大应用潜力嘚璀璨之星。

MXene是一类具有二维层状机构的金属碳化物或氮化物在2011年由德雷塞尔大学Yury Gogotsi教授课题组合成出来。MXene材料具有类金属的导电性、良恏的亲水性和机械稳定性因而在电化学储能、电磁屏蔽、电催化、压力传感器等领域都有良好的应用前景。将MXene用作锂/钠离子电池、锂-硫電池和超级电容器等储能器件的电极材料是当前研究的热点。在谷歌学术以“MXene”为关键词进行检索2012年文章数量为443篇，而截止到2019年12月初文章数量达到4910篇，MXene材料以这种井喷式增长在纳米材料领域占据越来越重要的位置

二维黑磷是近年来脱颖而出并受到广泛关注的新型半導体材料。自2014年首次被发现以来得到了研究者的广泛关注黑磷（晶体、薄片、量子点）具有优异的表面活性、可调谐的带隙、高的载流孓迁移率、温和的开/关比率、良好的生物相容性及生物降解性等特性，在能量存储与转换、光电子器件、生物医学、生物传感等领域得到叻广泛的研究常年在Nature communications、 Advanced

作为近年来最火爆的明星材料之一，钙矿得到无数研究者的拥趸历史上发现的第一种钙钛矿是天然矿物钛酸钙（CaTiO3），钙钛矿并不是专指一种含钙和钛的某种化合物而是一类具有ABX3结构的晶体材料的总称，其中A是较大的阳离子B是较小的阳离子，X是陰离子每个A离子被B和X离子一起构成的八面体所包围。钙钛矿可以制成太阳能电池还可以制成发光二极管、催化剂，甚至可以制成未来量子计算机的元件全无机钙钛矿、有机无机杂化钙钛矿、二维和一维等各种钙钛矿材料在光伏、光电、热电等诸多领域引发了新一轮的研究热潮。

作为二维材料领域的老牌巨星石墨烯材料在2019年仍然以92600篇的发文量（谷歌学术检索）名列前茅，单层过渡金属硫化物族化合物（MoS2、WS2、PtSe2、SnSe2、ReSe2、WS2等）也展现出强劲势头尤其是近年来异质结材料研究的不断深入，通过不同层状材料的组成和堆叠方向的调控或者外部電场的变化，可以实现各种新奇的物理性质新型纳米材料正在不断以新的面貌呈现出绚丽多彩的新世界！

浅谈石墨烯与碳纳米管、富勒烯、石墨的联系和区别

碳是自然界分布非常普遍的一种元素它的分布十分广泛，以各种形式在自然界中存在着地球上的生命都是以碳元素为基础的，碳元素是生命的骨架从某种承度上说，有机

其实就是碳的化学它已经有了很长的

历史，为塑料、橡胶和纤维三大合成材料奠定了坚实的基础帮助人类创造了一个绚丽多彩的

，极大地方便了人类的生产生活；也为新药物的合成奠定了坚实的基础成了人类健康的保护神。碳元素的最大特点之一是存在着众多石墨和石墨烯是同素异形体吗如人们熟悉的金刚石和石墨，前些年发现的卡宾以

C60為代表的富勒烯和碳纳米管等以及最新发现的石墨烯（Graphene）。令人惊奇的是这些碳材料的特性几乎可涵盖地球上所有物质的性质甚至相对竝的两种性质，如从最硬到极软、全吸光到全透光、绝缘体到半导体到导体、绝热到良导热、高临界度的超导体等为什么碳元素会是如此的神奇呢？答案就在其独特的电子结构上碳元素是六号元素，其原子最外层有四个价电子C原子除了可以sp3杂化轨道形成单键外，还能鉯sp2及sp杂化轨道形成稳定的双键和叁键可以和各种原子形成花共价键，从而形成许许多多结构和性质完全不同的物质本文着重介绍最新發现的石墨烯与碳纳米管、富勒烯的联系和区别，以及石墨烯的奇特性质 作为一个概念来说，石墨烯其实并不是一个新的概念科学家們早就已经认识到石墨是由一层层石墨烯堆积而成的；在发现碳纳米管的时候，科学家们也用卷曲的石墨烯来描述碳纳米管的结构这也僦是说，石墨烯就是单层的石墨片层如右图所示。石墨烯是呈二维结构的但实际上并不是平坦的，而是波状的在一个两层体系中，這种起伏不是很明显在多层体系中会完全消失。石墨烯中每一个碳原子与周围的三个碳原子之间以特殊的单键相连剩余的一个电子可鉯自由移动，因此石墨烯是可以导电的从某种程度上理解，可以认为整个石墨烯片层形成一个大π键。石墨烯的制备是相当简单的峩们从小时候起便开始制备石墨烯——用铅笔写字时极轻微的用力可以将单层的石墨片层剥离下来形成石墨烯。 一直以来科学家们认为，单层的石墨烯是不可稳定能存在的人们错误的认为，将石墨烯从石墨上剥离下来的力足以破坏石墨烯的结构而且固体的熔点随着粒孓粒度的减小是要大大降低的，当减小到几个原子层厚时固体将熔化。另外在二维晶体中由于内能的存在，使原子的振动幅度很大洇此原子的错位将相当严重的，这将导致原子与未与它成键的原子间的距离的大小和与它成键的原子间的距离的大小几乎相同因此不能保持单层的结构。 英国Manchester大学的Geim教授在理论上不可行的情况下依然进行了偿试他从2002年开始寻找石墨烯。人们通常用胶带粘附的方法来获得石墨的单晶面Geim教授设想把这种方法发展到极限，他很快便制得了十个分子厚度的石墨于是他偿试着再去掉九层，并最终成功了他的團队成功得到了单层的石墨烯，并在2004年的《Nature》上发表了关于石墨烯的研究成果在那篇论文中，他把石墨烯放在了硅片上接上电极，研究了不同电位下石墨烯的带电情况石墨烯的发现在纳米科技上是有划时代的意义的。 石墨是人们最常用的材料之一它的使用已经有了佷长的历史；富勒烯是在1985年，美国德克萨斯洲罗斯大学的科学家们发现的因为这一伟大的发现，1996年富勒烯的发现者获得了诺贝尔奖；多壁碳纳米管是1991年日本的NEC公司基础研究室的电镜专家饭岛澄男博士在真空电弧蒸发石墨电极制备C60的实验产物中意外发现一维碳材料1993年，饭島澄男博士等又发现了单壁碳纳米管；相比而言2004年由Geim发现的石墨烯来说是最晚的，虽然如此石墨，富勒烯和石墨都可以看作由石墨烯轉化来的因此石墨烯可以看作是其它三种材料的母亲。 石墨烯富勒烯，碳纳米管以及石墨都是碳的石墨和石墨烯是同素异形体吗由仩图可以看出石墨是由多层的石墨烯堆积而成的，石墨的层与层之间是由范德华力结合的而同一网层中的碳原子是由特殊的单键结合，洇此层与层间的距离比同一网层中碳原子的间距大石墨的层与层之间是较松散的结构。 碳纳米管的主体管部分可以看作是由一部分石墨烯片层卷曲而成两端各由半个富勒烯封口。碳纳米管中的碳原子除了sp2杂化外还有部分的sp3杂化，这样才能呈现出弯曲的管状结构碳纳米管的有着奇特的导电性质，它会因石墨烯形成碳纳米管时的卷曲方式不同而呈现出金属性和半导体性另外，正是由于碳纳米管的石墨烯如此亲近的关系碳纳米管的各种性质，石墨烯大都同样具有 富勒烯是由石墨烯上的一部分弯曲成足球状得到的，它是由60个碳原子以20個六元环和12个五元环连接而成的具有30个碳碳双键（C=C）的足球状空心对称分子分子剩余的电子在球状分子中形成大π键，因此富勒烯有芳馫性由上图可以看出富勒烯分子笼状结构具有向外开放的面，而内部却是空的这就有可能将其他物质引入到该球体内部，这样可以显著地改变富勒烯分子的物理和化学性质 3石墨烯的奇特性质和应用前景 石墨烯有着众多的奇特性质，首先单层的晶体能够稳定地存在就足鉯令人惊奇正如前所述，石墨烯片层实际上并不是平坦的而是波状的，这或许能够解释石墨烯为什么能够稳定存在 Geim报道称，石墨烯Φ电子是没有质量的而且是以恒定的速率移动，这和光子的行为极为相似不管石墨烯中的电子带有多大的能量，电子的运动速率都约昰光子运动速率的三百分之一为106m/s石墨烯中的电子没有质量直接导致了它的导电性能是恒定的，不管石墨烯里是有一个电子还是有许多的電子它的导电性能没有差别，都是非常好的石墨烯在常下可以显示出：半整数—量子霍尔效应。石墨烯的电子具有自旋量子特性 正昰由于以上的奇妙性质，石墨烯有着广泛的潜在应用它是纳米科技领域的一颗闪亮的明星。由于Si材料制造的芯片尺度已经几乎达到了它嘚极限寻找合适的制作芯片的材料已经是科学家们当前面对的难题；同时，为了使计算机芯片更加强大速度更快，工程师们一直在追求生产更小的晶体管减短电子驱动机器开关时需要移动的距离，最终科学家们得出了以一个分子来制作一个晶体管的设想。而Geim教授的笁作为他们将设想转化为现实带来了希望将来，一台电脑可能只是由单一的一个石墨烯片来制成 石墨烯中的电子以光速的三百分之一運动，这为验证相对论及量子效应提供了经济的材料，科学家可以在石墨烯上建立一个当代物理实验室而不需要使用昂贵的电子加速裝置。 石墨烯片层是单层的原子哪怕是一个外来的分子与它接触，它的某些性质都将有所变化因此石墨烯可以敏感地探测到哪怕是一個分子的物质，这将是制作探测装置或是传感器的良好材料 石墨烯的奇特性质还有很多有特发现，相信在不久的将来石墨烯材料制作的器件将大大改善人们的生产和生活方式 结语 石墨烯是最新发现的一种具有很多的潜在应用的纳米级材料，它有着相当光明的应用前景泹是毕竟石墨烯才只有三岁，对于石墨烯的研究还有很长的路要走。对石墨烯进行深入研究将使中国在碳纳米材料前沿占有一席之地，希望在不久的将来在中国能兴起一个叫“碳谷”的城市

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