最新面试无机化学研究前沿

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1、§7.2无机高分子化合物§7.1无机碳化学第7章无机化学研究前沿§7.3纳米材料7.1.3碳纳米管7.1.2碳单质及其衍生物§7.1无机碳化学7.1.1概述有人预言，21世纪是“超碳时代”。理由是：金刚石的人工合成、碳纤维的开发应用、石墨层间化合物的研究、富勒烯(碳笼原子簇)及线型碳的发现及研究都取得了令人瞩目的进展。这些以单质碳为基础的无机碳化学给人们展现了无限的想象空间。IBM日前表示将开发在碳纳米管上融合一片集成电路的器件。该技术有望加快下一代芯片产品的面世。美国贝尔实验室的研究小组使用富勒烯在较高温度下(117K)制造出了电阻为零的有机超导

2、体。7.1.1概述在学术界，一般认为金刚石、石墨、碳笼原子簇、线型碳是碳的几种同素异形体。7.1.2碳单质及其衍生物石墨，混合键型或过渡型晶体，碳原子间以sp2杂化成键；无定形碳和碳黑都是微晶石墨。金刚石，原子晶体，碳原子间以sp3杂化成键；富勒烯(碳笼原子簇)，分子晶体，碳原子间以s0.305p0.695杂化轨道成键(3条键)；碳原子上还有1条键(s0.085p0.915)；线型碳，分子晶体，碳原子间以sp杂化成键。其化学稳定性为：线型碳＞石墨＞金刚石＞富勒烯。1.金刚石金刚石主要用于精密机械制造、电子工业、光学工业、半导体工业及化学工业。天

3、然金刚石稀少，只限于用作装饰品，因此人工合成金刚石正在成为碳素材料中的重要研究开发领域。金刚石的合成金刚石合成已有四十多年的历史。已报道的合成方法大致可分为两类：石墨转化法和气相合成法★石墨转化法常温常压下石墨转化为金刚石是非自发的，但在高温高压(由疏松到致密)下可能实现这种转化，其温度和压力条件因催化剂的种类不同而不同。石墨转化法可分为静态超高压高温法和动态法两种。静态超高压高温法用高压设备压缩传压介质产生3～10GPa的超高压，并利用电流通过发热体，将合成腔加热到l000～2000℃高温。其优点是能较长时间保持稳定的高温高压条件，易于控制。该

4、法可得到磨料级金刚石，但设备技术要求高。为了获得粒度较大的优质金刚石单晶，普遍采用过渡金属(Ni，Fe，Co等)及其合金作触媒，保持约5GPa的压力、1500K的温度到一定的时间，使石墨转化金刚石。要获得优质粗粒的金刚石单晶，一般用石墨片与触媒片交替组装的方式。动态法利用动态波促使石墨直接转变成金刚石。动态冲击波可由爆炸、强放电和高速碰撞等瞬时产生，在被冲击介质中可同时产生高温高压，使石墨转化为金刚石。该法作用时间短(仅几微秒)，压力及温度不能分别加以控制，但装置相对简单，单次装料多，因而产量高。产品为微粉金刚石，可通过烧结成大颗粒多晶体，但质量较

5、差。石墨转化法所得的金刚石往往是细粒乃至粉末，使用时往往需烧结。此外，产品中还含有未反应的石墨、催化剂等杂质，因此还需提纯。这种产品主要用于精密机械制造领域。★气相合成法(CVD法)气相法是用含碳气态物质作碳源，产物往往是附在基体上的金刚石薄膜。研究表明，含碳气态物质在一定高温分解出的甲基自由基，甲基自由基相当于金刚石的活性种子。因为金刚石中的碳处于sp3杂化状态，甲基中的碳也处于sp3杂化状态，甲基自由基分解后便以金刚石的形式析出。气相法成功地制成了膜状金刚石，使金刚石的应用范围大大扩展，因为高温高压合成的金刚石及天然金刚石的应用只是利用其高硬度

6、特性，其他优异的特性均因形态的限制而未能得到很好的开发和利用。膜状金刚石必然会进入半导体工业、电子工业及光学等领域。日前，国际化学界权威学术刊物《美国化学会志》(J.Am.Chem.Soc.)刊发了中国科技大学陈乾旺教授领导的研究组的论文“低温还原二氧化碳(CO2)合成金刚石”。他们自己研制高压反应釜进行实验，用安全无毒的二氧化碳作原料，使用金属钠作为还原剂，在440℃和800个大气压的条件下，经过12小时的化学反应，终于成功地将CO2还原成了金刚石。目前，已能生长出1.2毫米的金刚石，有望达到宝石级，产物外观无色、透明，可与天然金刚石媲美此法CO

7、2转化金刚石的产率达8.9%，工艺重复性好，结果日前已申请国际专利。2.石墨及其石墨层间化合物石墨石墨具有层状晶体的结构。在晶体中，C原子采用sp2杂化轨道成键，彼此间以键连接在一起，同时在同一层上还有一个大键。同一层的碳C－C键长143pm，层与层之间的距离为335pm。669.6pm245.6pm335pm143pm石墨层间化合物石墨的碳原子层间有较大的空隙，容易插入电离能小的碱金属和电子亲和能大的卤素、卤化物及酸等，从而形成石墨层间化合物(GIC)。★石墨层间化合物的类型石墨层间化合物按基质－嵌入物间的化学键分类，可分为离子型和共价型

8、两大类。在离子型化合物中，碱金属之类的插入物形成向石墨提供电子的层间化合物，称为施主型;插入物为卤素、卤化物时，形成从石墨