作者：李莉 周全法 劉雪梅 李卉卉 楊小弟 單位：南京師范大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院 江蘇技術(shù)師范學(xué)院化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院

由于碳材料本身的電性能的優(yōu)越，其在電化學(xué)分析中的地位也越來(lái)越重要。還有碳材料與相關(guān)金屬的配位能力，它又成為有機(jī)配位化學(xué)的新寵。談及應(yīng)用性，碳材料運(yùn)用于儀器分析教學(xué)的例子絕不在少數(shù)。因此，我們說(shuō)新型碳材料的重要性已讓各個(gè)學(xué)科都不能忽視它們。在本科教學(xué)中，我們可以重點(diǎn)教授它的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)方面知識(shí)；而在研究生教學(xué)方面，重點(diǎn)則可以放在科研運(yùn)用上。國(guó)內(nèi)大學(xué)課程概況由于新型碳材料蘊(yùn)含著理論上勃勃的生命力及實(shí)踐上無(wú)限的發(fā)展?jié)摿Γ瑖?guó)內(nèi)大學(xué)有關(guān)物理、化學(xué)及材料相關(guān)學(xué)科已紛紛開(kāi)設(shè)相關(guān)課程。關(guān)于此方面基礎(chǔ)內(nèi)容的學(xué)習(xí)，我們?cè)诒究平虒W(xué)中的無(wú)機(jī)化學(xué)、物理化學(xué)及結(jié)構(gòu)化學(xué)課程或化學(xué)前沿課程中均有涉及，而針對(duì)相關(guān)專(zhuān)業(yè)研究生，內(nèi)容會(huì)設(shè)置得更深入更具應(yīng)用性。以下表１作為例證展示。我們可以由表中領(lǐng)會(huì)到國(guó)內(nèi)各大學(xué)都十分重視碳材料相關(guān)學(xué)科，已開(kāi)設(shè)的基礎(chǔ)理論課程旨在將理論運(yùn)用到實(shí)踐研究中，以期得到更新更有意義的創(chuàng)新成果。

相關(guān)碳材料的教學(xué)運(yùn)用既然新型碳材料涉及多個(gè)學(xué)科的交叉，那么高校教師就必須重視這一領(lǐng)域的最新發(fā)展，將其融合進(jìn)自己的課堂教學(xué)和實(shí)踐過(guò)程中，引發(fā)學(xué)生的興趣并塑造他們的知識(shí)素養(yǎng)，使教學(xué)始終保持旺盛的活力和足夠的吸引力，為高素質(zhì)創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。本文重點(diǎn)介紹現(xiàn)階段發(fā)展迅速的碳納米材料（富勒烯、碳納米管和石墨烯）的相關(guān)教學(xué)運(yùn)用。在無(wú)機(jī)化學(xué)雜化軌道理論章節(jié)中，由于金剛石是ｓｐ３雜化，富勒烯、碳納米管和石墨烯都是ｓｐ２雜化，卡拜是ｓｐ雜化，我們將碳材料的多種同素異形體的立體結(jié)構(gòu)展示給學(xué)生看，可以讓學(xué)生不單認(rèn)識(shí)到平面分子中的雜化軌道，而且從立體影像中能更形象地體會(huì)到雜化軌道的真實(shí)展示。講授結(jié)構(gòu)化學(xué)原子結(jié)構(gòu)及點(diǎn)群一章時(shí)，我們向?qū)W生補(bǔ)充講授碳的各類(lèi)同素異形體對(duì)稱性情況及所屬點(diǎn)群，把理論中的原子結(jié)構(gòu)化學(xué)鍵與當(dāng)前前沿領(lǐng)域結(jié)合起來(lái)，以引發(fā)學(xué)生的求知欲和對(duì)科研工作的向往。［１］在化學(xué)前沿課程介紹碳納米材料時(shí)，初次接觸到這些名詞的學(xué)生可能難以接受。我們可以適時(shí)地把科學(xué)家語(yǔ)錄或者形象比喻引入課堂中。比如介紹富勒烯，我們就把該領(lǐng)域的權(quán)威專(zhuān)家中科院化學(xué)所王春儒研究員的評(píng)論作為引言：“諸多異乎尋常的性能，使富勒烯對(duì)化學(xué)、物理、材料、醫(yī)藥、微電子等領(lǐng)域產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響，在應(yīng)用方面顯示出誘人前景。”介紹碳納米管和石墨烯的卓越性能時(shí)，則可以引用諾貝爾獎(jiǎng)委員會(huì)所舉的例子：“碳納米管中碳原子的對(duì)稱性使其比計(jì)算機(jī)芯片上硅的導(dǎo)電性更好，其電阻更低產(chǎn)生的熱量也更少，這一特性對(duì)于芯片制造商來(lái)說(shuō)其價(jià)值是巨大的。”“如果用１平方米的石墨烯吊床去承載４公斤的貓，那么這只吊床只有０．７７毫克，比貓的一根胡須還輕，并且用肉眼幾乎看不到這只吊床的存在”。相信學(xué)生聽(tīng)完了這些比喻后會(huì)對(duì)這３類(lèi)碳納米材料留下深刻的印象，且理解了相關(guān)性質(zhì)。同時(shí)，他們也會(huì)由此對(duì)其充滿興趣，對(duì)化學(xué)這一神奇的學(xué)科充滿熱愛(ài)及探索的欲望。

新型碳材料的研究對(duì)化學(xué)科研的影響

新型碳材料的性質(zhì)幾乎可以包括所有物質(zhì)的性質(zhì)甚至相對(duì)立的性質(zhì)：從全透光到全吸光、極硬到極軟、隔絕熱到良導(dǎo)熱、絕緣體到半導(dǎo)體再到導(dǎo)體、超導(dǎo)體等。國(guó)內(nèi)外已有相當(dāng)一部分機(jī)構(gòu)專(zhuān)門(mén)研究相關(guān)碳材料的創(chuàng)新應(yīng)用。例如，中科院蘭州化學(xué)物理研究所、清華大學(xué)的一碳化工國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、上海大學(xué)的低維碳材料與器件物理研究所、美國(guó)肯塔基大學(xué)的先進(jìn)碳材料中心以及山西大同大學(xué)的碳材料研究所等等。本文重點(diǎn)介紹碳納米材料（富勒烯、碳納米管和石墨烯）的相關(guān)科研運(yùn)用。

（一）富勒烯的相關(guān)應(yīng)用材料學(xué)方面：富勒烯的高度對(duì)稱性決定了它在電、磁、光材料領(lǐng)域的應(yīng)用十分重要。例如，北大合成的Ｋ３Ｃ６０和ＲｂＣ６０超導(dǎo)體及中科院研究出的Ｃ６０與四氮富勒烯化合物形成電荷轉(zhuǎn)移復(fù)合物，均達(dá)到當(dāng)時(shí)期國(guó)際先進(jìn)水平；再如由Ｃ６０摻入高分子合成光學(xué)限幅材料，將有機(jī)配合物與之配伍形成有機(jī)鐵磁體，實(shí)現(xiàn)了人們以廉價(jià)碳材料代替昂貴金屬材料的期望。生物功能學(xué)方面：它的衍生物具有良好的生物活性，能使ＤＮＡ選擇性地進(jìn)行分裂；它還具有抗病毒活性，用其合成生物功能材料、催化劑，在超分子化學(xué)、仿生化學(xué)領(lǐng)域有重要作用。電化學(xué)方面：基于富勒烯衍生物來(lái)修飾電極的ＤＮＡ電化學(xué)傳感器的研究已獲得了一定進(jìn)展。

（二）碳納米管的相關(guān)應(yīng)用電化學(xué)方面：碳納米管用于修飾電極可以降低氧化還原反應(yīng)產(chǎn)生的過(guò)電位，對(duì)生物分子活性中心的電子傳遞具有促進(jìn)作用，能改善生物分子氧化還原的可逆性。基于多壁碳納米管復(fù)合膜的電化學(xué)ＤＮＡ生物傳感器可實(shí)現(xiàn)特異性基因片段的快速檢測(cè)。基于碳納米管的電化學(xué)生物傳感器用于環(huán)境檢測(cè)的研究也頗具進(jìn)展。材料學(xué)方面：碳納米管具有優(yōu)良的電學(xué)和力學(xué)性能，是復(fù)合材料的理想添加劑。碳納米管電容器具有良好的放電性能，鋰離子電池是碳納米管應(yīng)用研究領(lǐng)域之一。碳納米管儲(chǔ)氫材料在燃料電池系統(tǒng)中用于氫氣存儲(chǔ)。由于其表面原子配位不全以及鍵態(tài)與內(nèi)部不同等導(dǎo)致表面活性位置增加，它又成為理想的催化劑載體材料。［２］儀器分析方面：在電泳領(lǐng)域，碳納米管可作為電泳分離介質(zhì)添加劑或作為一種固定相；在色譜法中，多壁碳納米管石墨化程度較高，可作為氣相色譜、液相色譜和毛細(xì)管電動(dòng)色譜的固定相。在質(zhì)譜分析中，碳納米管的背景信號(hào)少，因此作底物時(shí)峰強(qiáng)、分辨率及信噪比均有很大提高。在分子光譜領(lǐng)域，羧基化碳納米管引入了親水基團(tuán)，降低溶液的表面張力使檢測(cè)的靈敏度和穩(wěn)定性增強(qiáng)。在萃取法中，其共軛結(jié)構(gòu)體系可與有共軛結(jié)構(gòu)的化合物強(qiáng)烈吸附，使檢測(cè)限大大提高。

（三）石墨烯的相關(guān)應(yīng)用電化學(xué)方面：基于石墨烯的超級(jí)電容器具有良好的功率特性，有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。薄層石墨烯在鋰離子電池負(fù)極材料中也有較好的應(yīng)用前景。良好的透光性和導(dǎo)電性使它在電池領(lǐng)域成為很有潛力替代ＩＴＯ的新材料。結(jié)合高比表面積和對(duì)金屬離子的富集作用，石墨烯修飾電極被廣泛應(yīng)用于無(wú)機(jī)金屬離子的檢測(cè)。此外，石墨烯良好的電化學(xué)發(fā)光性能使它又成為繼量子點(diǎn)之后又一靈敏的電化學(xué)發(fā)光材料，可用于電化學(xué)檢測(cè)。材料學(xué)方面：石墨烯具有優(yōu)異的電學(xué)性質(zhì)、機(jī)械性能以及高比表面積，利用其對(duì)一些材料進(jìn)行修飾，或與聚合物、金屬、半導(dǎo)體等復(fù)合，可得到優(yōu)異的復(fù)合功能材料。由于石墨烯具有優(yōu)異的氫氣吸附特性，它可作為儲(chǔ)氫材料。在生活中，石墨烯還可作為超導(dǎo)材料、防靜電衣料、減少噪聲的元件等。［３］生物傳感方面：由于碳原子都在外表面上，對(duì)外界事物的響應(yīng)極其靈敏，利用石墨烯制成單分子檢測(cè)器就能成為高靈敏傳感器；哈佛大學(xué)和麻省理工大學(xué)聯(lián)合發(fā)現(xiàn)石墨烯非晶體碳復(fù)合膜制成人工膜可用于ＤＮＡ測(cè)序。各類(lèi)基于石墨烯修飾的生物傳感器被廣泛研究對(duì)于生物質(zhì)的檢測(cè)，比如谷胱甘肽、輔酶等。