大放异彩的碳 张雅洁 12硕2班 催化材料研究部

碳 Carbon 碳是一种非金属元素，位于元素周期表的第二周期IVA族。   

Where——碳从哪里来 地球在形成的初期，来自宇宙的大量碳 被固定在地壳中，风化、剥蚀、火山爆 发等作用下，将岩石中的碳释放出来进 入地球的大气层。当然，这是一个相当 缓慢的过程。 千万年前动物、植物、浮游生物等吸收的碳变成了化石能源，我们现在燃烧煤、石油、天然气，都是将这些“古老的碳”释放出来的过程。 二氧化碳被排放到大气层以后，经过植物的呼吸作用等，再次被固定下来，吸收了大气中二氧化碳的生物体死亡后沉人湖底或海底变成岩石，也将碳固定了。

Family——碳的同素异形体 我们日常生活中经常说到煤炭，碳纤维，低碳生活……听起来似乎都和“碳”有关， 但它们到底是什么关系呢，让我们去看看这个大家庭吧——碳的同素异形体 碳的同素异形体，即纯碳元素所 能构成的各种不同的分子结构

家族代表 金刚石（Diamond） 金刚石也叫钻石，它是一种由纯碳组成的矿物。金 刚石是自然界中最坚硬的物质。 金刚石是典型的原子晶体。C-C键很强，所有的价电 子都参与了共价键的形成，没有自由电子，所以钻 石不仅硬度大，熔点极高，化学性质稳定，几乎不 与酸碱反应，而且不导电。 sp3杂化正四面体

家族代表 石墨（Graphite） 石墨的柔软性几乎与金刚石的硬性同样著称。 它很容易被粉碎，并有滑腻的感觉，铅笔中石 墨含量越高则质地越软。 石墨是混合晶体，内部的碳原子成层状排列， 层间作用力很弱，而层内碳原子间共价键强度 层内sp2杂化 大，易发生层间滑移，是 良好的润滑剂，也是电的 良导体

家族代表 不定型碳（Amorphous carbon） 不定型碳不具有典型的晶体结构。大部分不定形碳是石墨 层型结构的分子碎片大致相互平行地，无规则地堆积在一 起，可简称为乱层结构。层间或碎片之间用金刚石结构的 四面体成键方式的碳原子键连起来，这种四面体的碳原子 所占的比例多，则比较坚硬。 木材 煤炭 碳的化合物 干馏 木炭 焦炭 炭黑 活性碳 一般指木炭、焦炭、骨炭、糖炭、活性炭和炭黑等 木炭：燃料 焦炭：炼钢，还原剂 炭黑：轮胎 活性碳：吸附

家族成员 碳纳米管（Carbon Nanotube） 碳纳米管的结构相当于把石墨平面层卷起来，形成一根长 长的细管子。 碳纳米管的直径小于100nm，也就是头发的千分之一。 可你别看它小，1g高纯的单臂碳纳米管市价可要超过 1000元，比黄金还要贵，它自身的很多优异性也让其他 传统碳材料望尘莫及。 纳米管发射电子轰击屏幕的显示屏 柔性器件 能够利用涂布工艺成膜 弯折时能够维持特性 传感器 形状易于扩大检测面 电流通路狭窄，对电位变化灵敏 催化剂 比表面积大，中空 表面有缺陷，易于掺杂和表面功能化 气体液体易于流入流出 称量单个病毒质量的纳米秤 催化乙苯氧化脱氢反应

家族成员 碳纤维（Carbon Fiber） 碳纤维是由有机纤维经碳化及石墨化处理而 得到的微晶石墨材料。它兼具了纳米碳材料 质轻高强以及作为纤维形态的柔软可加工性。 碳纤维的微观结构类似人造石墨，是乱层石 墨结构。 碳纤维质轻于铝而强力高于 钢，它的比重是铁的1/4， 强力是铁的10倍，除了有高 超的强力外，其化学性能非 常稳定，耐腐蚀性高，同时 耐高温和低温、耐辐射、消 臭。 碳纤维可是当今防弹材料的理想选择，想不到吧，相貌平凡，但功能不小，在各国的军事竞争中具有不小的地位，它可是各国间竞争的秘密武器，也是其他各国对我国技术战略封锁的手段之一

家族成员 石墨烯（Graphene） 看看这些新闻标题，你就能大概了解石墨烯有多么神奇： 石墨烯是近几年新发现的碳组成员，取出石墨中 的一层就得到了石墨烯，虽然说起来很简单，但 若想完整的剥离下这薄薄的一层来，科学家们还 是花费了好多时间呢。 看，是他们最先分离出的石墨烯！使用机械方法剥离下来的，就像是用胶带把纸表层剥下来一样。 石墨烯不仅是已知材料中最薄的一种，还非常牢固坚硬,经计算，用石墨烯制成包装袋，那么它将能承受大约两吨重的物品。 石墨烯作为单质，它在室温下传递电子的速度达到了光速的1/300，远远超过了电子在一般导体中的运动速度。 看看这些新闻标题，你就能大概了解石墨烯有多么神奇： 全球最小光学调制器问世 可高速传输信号 一秒钟内下载一部高清电影指日可待 低成本石墨烯电池 或将实现“一分钟充电” 世界上最薄的纳米材料,透光性好,能折叠 2004年，安德鲁-盖姆教授(左)和康斯坦丁-诺沃肖罗夫教授首次分离出石墨烯。2010年，他们双双获得诺贝尔物理学奖

家族成员 其实碳的大家庭中还有好多成员，他们大部分都来自于科学 家的创造，形貌各异 NCNT 第一代 第二代 （表面功能化） 第三代 （结构设计组装） C60 C540 nanorod nanobelt nanotube

Thank you ACKNOWLEDGE——致谢 虽然碳是生活中众所周知的元素，但这么多年来，碳的大家庭中不断地有新的成员加入，它们各具异能，大放异彩，相信随着科学家们的不断创新，这个家族的不断壮大，人们的生活也会更加的丰富多彩，快乐便捷！ Thank you 信息来源： 百度百科，维基百科 《绚丽多彩的碳材料》 ，司志书 《场致电子发射一维纳米材料的研制》 《A perspective on carbon materials for future energy application》 Dang Sheng Su, Gabriele Centi