炭素材料的研究熱點和發(fā)展趨勢

陳明禮

摘 要：隨著各種新技術的層出不窮，對于炭素的研究也進入了一個全新的研究領域，更了更好地推動能源的建設與發(fā)展，使其炭素材料可以被廣泛的應用于各個領域之中，近年來，我國對炭素材料的研究較以往而言有了很大的進步，但與發(fā)達國家相比，仍然存在著一定的差距，需要不斷學習和探索。文章主要針對現(xiàn)階段炭素材料的發(fā)展現(xiàn)狀進行簡要的分析與總結(jié)，并就未來發(fā)展趨勢做出了詳細的闡釋，僅供參考。

關鍵詞：炭素材料；應用；熱點；炭素科學

1 概述

炭素材料，顧名思義其主要成分是由碳元素組成，在材料構成過程中可以有多種形式，每種形式的炭素材料其整體構成要素不同，所表現(xiàn)出來的結(jié)構形式、性能也是有所不同的。就目前發(fā)展而言，主要有sP型（卡賓碳）、sP2型（石墨、富勒烯、碳納米管等）和sP3型（金剛石及脂肪碳）三種。但是在實際炭素材料中，以上這三種形式并不多見，單一的存在方式很少，很多材料都混合加入了一些其他的材料，以便更好的運用于實際生活之中，如為了增加其導電性能，就在材料中增加了絕緣導體，一些材料為了增加其硬度也在材料中增加了比較堅硬的硬性物質(zhì)-金剛石。隨著可持續(xù)發(fā)展、節(jié)約能源概念的提出，對傳統(tǒng)的炭素材料的性能及使用也提出了更高的要求，現(xiàn)比較常見的就是多孔碳材料使用最多，它能有效的改善對環(huán)境的影響，也是炭素材料目前研究的重點材料。從炭素研究重點來看，除了多孔碳材料外，還有納米碳材料和含碳復合材料，構成了當今炭素材料研究領域的重點。

2 炭素材料的三大研究熱點

2.1 多孔碳材料

多孔碳材料，從能源角度出發(fā)，它主要應用于雙電層電容器的電極材料和清潔能源中，是清潔能源氫氣和天然氣存儲的主要載體。前者是利用外界電壓對金屬離子產(chǎn)生作用來完成存儲功能，這種方法可以有效的通過電壓將其轉(zhuǎn)化電化學的方式，極大的延長了其循環(huán)使用的壽命，具有很好的發(fā)展前景。后者就利用多孔原理將其氣體很好的吸附在能源物質(zhì)上來加以存儲，這種方法尤其是在常溫下，能充分發(fā)揮存儲的功能，實現(xiàn)其環(huán)境存儲，就這一點而言，是任何材料無可比擬的。

2.2 納米碳材料

自富勒烯出現(xiàn)以來，研究學者就將其與納米碳管聯(lián)系在一起，不斷對其研究，其中也包括儲氫性能、電化學性能、場發(fā)射性能和填充增強性能等。通過研究發(fā)現(xiàn)，這種結(jié)合材料使其具有了一些傳統(tǒng)所不具備的性質(zhì)-場發(fā)射性能。對于這類的研究還需要進一步去關注。就目前而言，研究最多的則是納米碳材料的提取及凈化，主要原理則是利用酸和氧化的方式進行處理，例如利用金屬催化劑可被酸刻蝕的特性將催化劑顆粒除去，利用不同類型納米碳管抗氧化能力的不同對其進行氧化處理，得到單一類型的納米碳管。納米碳管的應用研究包括用作電子器件、電極材料、催化劑載體、填充物、氣體傳感器、氣體存儲、貴金屬提取吸附劑等列。由上述可知，這種材料的使用將越來越廣，尤其是在能源日益緊張的情況下，它能充分發(fā)揮其效用，得到極大的重視。

2.3 復合材料

在復合材料的研究中，其抗氧化性能的研究最多，與炭素材料本身的特性及在復合材料中的氧化性的要求從某種程度上說是一致的。炭素材料雖然具有一定的抗氧化能力，但隨著環(huán)境溫度的提高和抗氧化強度的提高，炭素材料的燒蝕率明顯提高。作為炭素材料的燒蝕，其機械性能將逐漸變差，縮短其使用壽命。同時，復合材料具有優(yōu)異的力學性能和耐熱性能，在航空航天上得到了廣泛的應用。為了解決高溫下氧化燒蝕問題，現(xiàn)在采取的氧化技術主要是在復合材料表面添加氧化層，主要是對碳化硅涂層材料和復合涂層的組合物進行抗氧化劑。復合材料研究的另一重要內(nèi)容是其耐磨性，提高復合材料的使用壽命，從而使基復合材料能成功地應用于摩擦材料的研究中。為了達到良好的結(jié)合和增強體質(zhì)，提高復合材料的綜合性能，增強表面改性處理或使用階段的化學氣相滲透復合材料的致密化加工技術，這也是當前的重要課題。

3 炭素材料的主要研究方向

3.1 能源開發(fā)和利用

從當前炭素相關的學術論文所反映的研究內(nèi)容來看，炭素材料在能源方面的應用主要包括用作EDLC的電極材料、氫氣和天然氣的存儲載體、燃料電池催化劑載體和雙極板、鋰離子二次電池的負極材料等。

目前鋰離子二次電池負極材料的大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)和電池廠規(guī)模的逐步擴大化，也說明了鋰離子二次電池負極材料的生產(chǎn)技術已日趨成熟。炭素材料用作能源材料的另一個重要研究方向是由燃料電池相關材料的研發(fā)所帶動的。這些研究內(nèi)容包括：的安全化存儲、高效催化劑載體和新型碳基雙極板等。以為能源的燃料電池是新一代清潔型動力電源，目前面臨的幾個重要問題是：安全化存儲、催化劑的高效利用和整體成本的降低。而這幾個問題都可以通過對炭素材料的合理利用來加以解決，如利用多孔碳材料儲氫可以避開壓縮儲氫的體積大和高危險的缺點；利用納米炭素材料作為催化劑的載體可以實現(xiàn)催化劑顆粒的高度分散，從而最大限度地提高催化性能；利用碳材料制成的雙極板具有抗腐蝕、易加工等特點，如果利用一次成型技術直接模壓成雙極，還可以大大降低雙極板的成本。

3.2 環(huán)境治理

目前炭素材料在有關環(huán)境治理方面的應用研究極其廣泛，其中水處理方面的研究占2.6%左右，而氣相凈化方面的研究占了約3.7%。環(huán)境治理使用的炭素材料仍舊為多孔碳材料，但研究重點已偏向?qū)Χ嗫滋疾牧系母男院吞幚砩希瑢Χ嗫滋疾牧系谋砻嫘再|(zhì)、孔徑大小進行調(diào)節(jié)；在碳材料表面引入催化劑的方法實現(xiàn)對污染物吸附和降解的雙重功能等等。

3.3 生物醫(yī)用材料

由于碳材料和生物體（包括人體）具有良好的生物相容性，因此碳材料成為制造生物材料的一類重要材料。由于碳材料的力學性能能夠滿足生物材料的要求，因此研究重點仍舊是對生物體相容性的進一步研究或生物體中細胞、神經(jīng)元等在這些材料上的發(fā)育情況的研究。隨著納米碳材料科學的發(fā)展，生物碳材料研究的重點也有向納米碳材料方向轉(zhuǎn)移的趨勢。在目前有關炭素材料用作生物材料的研究報道中，納米碳材料的研究占到了近55%。

4 炭素材料的基礎研究

對于炭素材料領域的研究不僅僅包括對炭素形成過程中的研究分析，還包括對各種物理作用及化學反應的研究。從某種角度來講，基礎研究就是對于炭素形成過程的整個過程進行細致的研究分析，依據(jù)炭素結(jié)構、性質(zhì)和應用的不同，統(tǒng)計出相關的數(shù)據(jù)分析，加以研究。不能將其單獨的分割出來，這樣會影響整個炭素的分析過程。

5 結(jié)束語

綜上所述，炭素材料當前的研究重點突出表現(xiàn)以下兩大特點：第一，炭素材料在能源開發(fā)、環(huán)境治理等方面有著不可替代的重要作用，利用炭素材料進行新的相關要素研究逐漸被重視起來；第二，納米材料的逐漸成熟，將對其他相關工業(yè)技術的發(fā)展起到一定的推動作用，并改變原有的應用領域，被應用到各個方面。炭素材料的研究隨著科技創(chuàng)新的不斷變化與發(fā)展，還應不斷前進，為其更好的發(fā)展提供良好的理論基礎與方法依據(jù)。

參考文獻

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