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(shù)的層出不窮，對于炭素的研究也進入了一個全新的研究領(lǐng)域，更了更好地推動能源的建設(shè)與發(fā)展，使其炭素材料可以被廣泛的應(yīng)用于各個領(lǐng)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(xué)習(xí)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(guān)鍵詞：炭素材料；應(yīng)用；熱點；炭素科學(xué)

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(gòu)成過程中可以有多種形式，每種形式的炭素材料其整體構(gòu)成要素不同，所表現(xiàn)出來的結(jié)構(gòu)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(dǎo)電性能，就在材料中增加了絕緣導(dǎo)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(fù)合材料，構(gòu)成了當(dāng)今炭素材料研究領(lǐng)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(yīng)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(xué)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(xué)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(xué)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(guān)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(yīng)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(fù)合材料

在復(fù)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(fù)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(fù)合材料具有優(yōu)異的力學(xué)性能和耐熱性能，在航空航天上得到了廣泛的應(yīng)用。為了解決高溫下氧化燒蝕問題，現(xiàn)在采取的氧化技術(shù)主要是在復(fù)合材料表面添加氧化層，主要是對碳化硅涂層材料和復(fù)合涂層的組合物進行抗氧化劑。復(fù)合材料研究的另一重要內(nèi)容是其耐磨性，提高復(fù)合材料的使用壽命，從而使基復(fù)合材料能成功地應(yīng)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(fù)合材料的綜合性能，增強表面改性處理或使用階段的化學(xué)氣相滲透復(fù)合材料的致密化加工技術(shù)，這也是當(dāng)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(dāng)前炭素相關(guān)的學(xué)術(shù)論文所反映的研究內(nèi)容來看，炭素材料在能源方面的應(yīng)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(shù)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(guān)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(shù)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(guān)環(huán)境治理方面的應(yīng)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(xué)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(xué)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(guān)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(chǔ)研究

對于炭素材料領(lǐng)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(xué)反應(yīng)的研究。從某種角度來講，基礎(chǔ)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(gòu)、性質(zhì)和應(yīng)用的不同，統(tǒng)計出相關(guān)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(dāng)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(guān)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(guān)工業(yè)技術(shù)的發(fā)展起到一定的推動作用，并改變原有的應(yīng)用領(lǐng)域，被應(yīng)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(yīng)不斷前進，為其更好的發(fā)展提供良好的理論基礎(chǔ)與方法依據(jù)。

參考文獻

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