碳基介熵材料:理论与实验
发布时间：2021-08-17 00:00
富碳型材料,包括纯碳材料的各种同素异形体、碳基骨架的稠环芳香分子、聚合物、框架材料等,已成为当今材料领域最重要的研究领域之一.在这些研究当中,很大一部分工作都是研究材料本身的结构与性质,而忽略了这些材料之间的内在联系.课本中的很多概念,如同分异构体、同素异形体和拓扑缺陷,已经无法用于深入理解种类和数量繁多的富碳型材料之间的构效关系.这就使得通过改变已知材料的有限结构来调控材料的性质变得工作重复而繁重,且基础理解受限于研究个体上.作者将从材料"熵"的概念入手,尝试理解富碳型材料之间熵的相对高低,并建议基于"介熵"的认识开发新型富碳型材料、开发新型介熵富碳型材料的全新性质.基于对具体的不同的新型富碳型材料的讨论,将"介熵"这一概念引入到同素异形体、同分异构体以及广泛存在于碳材料中的拓扑缺陷的理解上.类似富碳型材料的关系不再模糊地停留在几何结构层面上,为今后介熵富碳型材料及其他介熵材料的开发提供参考.
【文章来源】：化学学报. 2020,78(09)北大核心SCICSCD
【文章页数】：15 页
【部分图文】：
碳纳米材料的主要种类及其按照维度的分类[28]Figure1Maintypesofcarbonnanomaterialsandtheirclassificationaccordingtodimensions[28]
壁纳米角;(3)二维石墨烯、石墨烯纳米带和多层堆积的石墨烯.这类纯几何学上的分类,在材料领域比较受欢迎,但本身并不具有重要的物理和化学意义.图1碳纳米材料的主要种类及其按照维度的分类[28]Figure1Maintypesofcarbonnanomaterialsandtheirclassificationaccordingtodimensions[28]1.2课本中的相关概念尽管可以通过不同方式对碳材料进行分类,但在直观上所有纯碳材料都互为同素异形体(Allotropes).同素异形体的概念最初是由Berzelius于1841年提出[29].如图2所示,以不同形式存在的碳单质如富勒烯、金刚石、石墨、无定形碳、碳纳米管等均属于碳的同素异形体.碳的同素异形体均由同样的单一碳元素组成,因碳原子排列方式不同,而具有不同性质的单质,其中最为典型的例子是金刚石和石墨.在金刚石晶体中,每个碳原子都以sp3杂化轨道与另外4个碳原子形成共价键,构成正四面体.由于所有的价电子都参与共价键的形成,没有自由电子,所以钻石不导电.而石墨由多层片状结构堆积而成,单层内的碳原子排列成平面六边形,每个碳原子以sp2共价键与其它碳原子结合,同层中的离域电子可以在整层活动,层间碳原子以分子间作用力(范德华力)相结合.石墨是一种灰黑色、不透明、有金属光泽的晶体.天然石墨耐高温,热膨胀系数小,导热、导电性好,摩擦系数小.富勒烯,由于同时具有五元环、六元环图2碳同素异形体的例子Figure2Examplesofcarbonallotropes
联,分子之间的本征性质预测依赖于经验而非构效关系理解.图3有机化合物异构体的分类和例子Figure3Classificationandexamplesoforganicisomers碳原子呈高度规律排布的碳材料(如金刚石、石墨烯等)在结构上会存在各种各样的缺陷.其中碳材料中的拓扑缺陷碳会以同素异形体和同分异构体的形式出现.例如,完美的石墨烯[31]中碳原子以sp2共价键紧密排列在六方晶格中,但当其中碳原子发生重排时就会出现各种形式的拓扑缺陷,这些原子的重新排布破坏了二维晶格的六边形对称性.如图4所示,石墨烯中拓扑缺陷类型主要包括位错[32](Dislocation)和向错[33](Disclina-tion),向错和位错分别破坏了晶格的旋转和平移对称性,其中以5-7位错和5-8-5位错较为常见.扩大以上两种缺陷结构可以得到簇状拓扑缺陷,如555-777簇状拓扑缺陷(555-777clusteredtopologicaldefect)和闭环的花形拓扑缺陷(Closedloopflowertopologicaldefect)以及具有不同晶界角(Misorientationangle,θ)的周期性和非周期性晶界[32,34].不限于这里所列类型,这类材料的构型非常丰富,由于原子级的分辨下的研究非常具有挑战,因此这一领域的实验报道有限,而理论研究相对丰富.图4石墨烯中的拓扑缺陷:(a)5-7位错;(b)5-8-5位错;(c)55-77簇状拓扑缺陷;(d)555-777簇状拓扑缺陷;(e)闭环的花形拓扑缺陷;(f)非周期晶界;(g)θ＝32.2°周期晶界;(h)θ＝0°周期平动晶界[35]Figure4Topologicaldefectsingraphene:(a)5-7dislocation;(b)5-8-5dislocation;(c)55-77clusteredtopologicaldefect;(d)555-777clusteredtopologicaldefect;(e)closedloopflowertopologicalde
本文编号：3346642
【文章来源】：化学学报. 2020,78(09)北大核心SCICSCD
【文章页数】：15 页
【部分图文】：
碳纳米材料的主要种类及其按照维度的分类[28]Figure1Maintypesofcarbonnanomaterialsandtheirclassificationaccordingtodimensions[28]
壁纳米角;(3)二维石墨烯、石墨烯纳米带和多层堆积的石墨烯.这类纯几何学上的分类,在材料领域比较受欢迎,但本身并不具有重要的物理和化学意义.图1碳纳米材料的主要种类及其按照维度的分类[28]Figure1Maintypesofcarbonnanomaterialsandtheirclassificationaccordingtodimensions[28]1.2课本中的相关概念尽管可以通过不同方式对碳材料进行分类,但在直观上所有纯碳材料都互为同素异形体(Allotropes).同素异形体的概念最初是由Berzelius于1841年提出[29].如图2所示,以不同形式存在的碳单质如富勒烯、金刚石、石墨、无定形碳、碳纳米管等均属于碳的同素异形体.碳的同素异形体均由同样的单一碳元素组成,因碳原子排列方式不同,而具有不同性质的单质,其中最为典型的例子是金刚石和石墨.在金刚石晶体中,每个碳原子都以sp3杂化轨道与另外4个碳原子形成共价键,构成正四面体.由于所有的价电子都参与共价键的形成,没有自由电子,所以钻石不导电.而石墨由多层片状结构堆积而成,单层内的碳原子排列成平面六边形,每个碳原子以sp2共价键与其它碳原子结合,同层中的离域电子可以在整层活动,层间碳原子以分子间作用力(范德华力)相结合.石墨是一种灰黑色、不透明、有金属光泽的晶体.天然石墨耐高温,热膨胀系数小,导热、导电性好,摩擦系数小.富勒烯,由于同时具有五元环、六元环图2碳同素异形体的例子Figure2Examplesofcarbonallotropes
联,分子之间的本征性质预测依赖于经验而非构效关系理解.图3有机化合物异构体的分类和例子Figure3Classificationandexamplesoforganicisomers碳原子呈高度规律排布的碳材料(如金刚石、石墨烯等)在结构上会存在各种各样的缺陷.其中碳材料中的拓扑缺陷碳会以同素异形体和同分异构体的形式出现.例如,完美的石墨烯[31]中碳原子以sp2共价键紧密排列在六方晶格中,但当其中碳原子发生重排时就会出现各种形式的拓扑缺陷,这些原子的重新排布破坏了二维晶格的六边形对称性.如图4所示,石墨烯中拓扑缺陷类型主要包括位错[32](Dislocation)和向错[33](Disclina-tion),向错和位错分别破坏了晶格的旋转和平移对称性,其中以5-7位错和5-8-5位错较为常见.扩大以上两种缺陷结构可以得到簇状拓扑缺陷,如555-777簇状拓扑缺陷(555-777clusteredtopologicaldefect)和闭环的花形拓扑缺陷(Closedloopflowertopologicaldefect)以及具有不同晶界角(Misorientationangle,θ)的周期性和非周期性晶界[32,34].不限于这里所列类型,这类材料的构型非常丰富,由于原子级的分辨下的研究非常具有挑战,因此这一领域的实验报道有限,而理论研究相对丰富.图4石墨烯中的拓扑缺陷:(a)5-7位错;(b)5-8-5位错;(c)55-77簇状拓扑缺陷;(d)555-777簇状拓扑缺陷;(e)闭环的花形拓扑缺陷;(f)非周期晶界;(g)θ＝32.2°周期晶界;(h)θ＝0°周期平动晶界[35]Figure4Topologicaldefectsingraphene:(a)5-7dislocation;(b)5-8-5dislocation;(c)55-77clusteredtopologicaldefect;(d)555-777clusteredtopologicaldefect;(e)closedloopflowertopologicalde
本文编号：3346642
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