2023-11-21

碳材料分为哪三大类？

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碳——一种神奇的元素

碳，是一种神奇的元素，它是地球上一切有机体生物的骨架元素，是构成人体最重要的元素。同样，碳也是世界上唯一将对立与统一集于一体的材料，它细如发丝、轻若鸿毛、强过钢铁，既是绝缘体又是导电体，既是隔热材料又是导热材料，既是全吸光材料又是全透光材料，它千变万化，独树一帜。

有人预言，21世纪是“超碳时代”。金刚石的人工合成、石墨层间化合物的深入研究到富勒烯、石墨烯的发现都取得了令人瞩目的成就，给人们展现了无限的遐想空间。

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“炭”和“碳”的区别

在碳材料的表述中，“炭”和“碳”的使用常容易混淆。

炭是指材料，古则有之，是以碳为主要成分的固体物质，化学成分不纯，常含其它杂质，如煤炭、炭黑、焦炭等。

碳是指元素，新造字，与碳原子和碳元素有关的词语用之，如碳化物、碳平面网络、碳酸盐等。

我们所指的碳材料既包含与碳素相关的同素异形体，也包含含碳的复合材料。从这个意义上讲，“碳”用“碳”比“炭”更为准确。

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碳材料的分类

碳材料历史悠久、种类繁多，可分为三大类：传统碳材料（Classic Carbon）、特种碳材料（Special Carbon）和纳米碳材料（Nano Carbon），其中纳米碳材料和特种碳材料统称为新型碳材料，如下图所示。

（图片来源：先进制造全球管理学院）

活性炭

活性炭是一种经特殊处理的炭，具有发达的孔隙结构和极大的表面积，由于活性炭具有吸附能力强、比表面积大、内孔结构发达、堆积密度低等特点，它被广泛应用于净水、脱硫、脱硝、回收溶剂、应急吸附、脱汞等众多领域。同时，活性炭也经常作为催化剂或催化剂载体用于气体的制备和重整等化学反应中。

富勒烯

富勒烯是一种完全由碳组成的中空分子，形状呈球型、椭球型、柱型或管状。富勒烯因其具有良好的电子传输性能，可以作为有机太阳能电池中的受体材料。水溶性富勒烯富勒烯表现出氧化性能，并能产生各种活性氧形式。并且，富勒烯是一种强大的光敏剂，它能够将三重态氧转化为活性单线态氧，具有抗皱、美白、抗炎、修复等功效，对人体无明显损伤。

碳纳米管

碳纳米管属于一维纳米材料，具有高强度和高导电导热性的优秀性能，其下游应用主要涵盖新能源汽车产业、3C数码产业、半导体产业、电力基础设施等领域。碳纳米管的大规模商业应用需求最主要来自锂电池和导电塑料领域，其中来自锂电池的需求超过80%。

纳米金刚石

纳米金刚石是纳米级的金刚石，与块体金刚石有一些共同的优异性质，如良好的耐磨性、导热性等，常被用作金属、橡胶、塑 料、玻璃等材料的涂层，润滑油添加剂，精细加工研磨材料等。美国斯坦福大学朱棣文团队和崔屹团队利用纳米金刚石的高机械强度和紧密结构来抑制锂电池中枝晶生长，构建稳定的金属锂界面，保证了锂电池能够稳定工作。除此之外，纳米金刚石材料在冷阴极场发射、电化学电极、光学窗口、量子通讯、药物输运等方面亦展示出良好的应用前景。

多孔碳

多孔碳的特点是孔径多样性，可简单理解为是具有不同孔结构大小的碳材料，由于其材料具有耐酸碱腐蚀的高化学稳定性、高导电性以及成本低廉等特点，广泛应用于气体分离，水净化、催化、太阳能光热海水淡化、航空航天领域隔热防热一体化的热防护材料领域。

石墨烯

石墨烯是一种由单层碳原子以蜂窝状排列构成的二维碳材料。它是碳的许多其他异形体的基本结构元素，如石墨、钻石、碳、碳纳米管和富勒烯，具有优异的光学、电学、力学特性，在材料学、微纳加工、能源、生物医学和药物传递等方面具有重要的应用前景，被认为是一种未来革命性的材料。

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