石墨烷
關注創建者：優秀啊 創建時間：2019-01-10
石墨烷的實例教程
最近，北京高壓科學研究中心的李闊、鄭海燕研究員課題組研究了苯-六氟苯1:1共晶的壓力誘導聚合(Pressure-Induced Polymerization, PIP)反應，得到了短程有序的氟代石墨烷結構，并對反應機理進行了詳細的研究。
他們綜合利用世界上多臺高壓中子衍射儀（中國綿陽堆鳳凰譜儀、英國ISIS的PEARL以及日本J-PARC的 PLANET ）研究了苯-六氟苯共晶的高壓相變，原位測定了該共晶不同相的晶體結構，尤其是在臨界反應壓力（20萬個大氣壓）下的晶體結構，由此指出了反應的臨界距離（圖1）。這是首次在這樣高的壓力測定下芳香族化合物的晶體結構，為理解它們在極端條件下的拓撲固相反應提供了重要依據。
研究者同時綜合利用紅外光譜、掃描電鏡、透射電鏡、固體核磁、原子對分布函數等一系列表征手段并結合理論計算，詳細分析了反應產物的短程及長程結構，指出產物是具有超格子的石墨烷。進一步根據拓撲化學原理提出產物模型氟代III型石墨烷，發現該結構可以非常好地擬合原子對分布函數實驗數據。研究者進一步利用氣相-質譜聯用技術對反應的中間體進行了分離及測定，發現了大量加成產物具有苯-六氟苯交替結構，由此得到了反應過程中的基元反應，提出了以[4+2]Diels-Alder加成反應為主的反應機理。即共晶中苯與六氟苯交替堆積，在高壓下相互靠近至足夠近的距離，發生連續[4+2]Diels-Alder加成，生成帶狀的加成產物。相鄰帶之間拼接在一起，脫去碳、氫、氟小分子的化合物，生成氫、氟1:1有序取代的氟代III型石墨烷 （圖2）。實驗數據和計算模擬結果很好的支撐了這一反應機理。
展開 石墨烯的發現以及其具有的獨特性質和巨大的應用價值激發了人們對其他二維材料的研究熱情。通過外來原子與本征石墨烯中的碳原子化學成鍵獲得石墨烯功能化材料以及構筑新型類石墨烯二維原子晶體是擴充二維材料庫重要途徑之一。例如，所有碳原子與氫原子雙面成鍵形成全氫化石墨烯結構, 又稱為“石墨烷”(graphane)；氫原子和碳原子為1:2的單面氫化石墨烯，文獻報道中稱為“graphone”。然而，目前在實驗上制備大面積高質量的氫化石墨烯的工作仍很稀少，實現材料結構和物性的調控仍很困難。
最近, 中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心高鴻鈞院士研究團隊的陳輝、包德亮（共同第一作者）和杜世萱研究員（共同通訊作者）等通過實驗與DFT理論計算發現，在Ru(0001)上石墨烯摩爾超晶格模板可以制備晶態三分之一氫化石墨烯，且尺寸很大質量很高。相對于氫化前的石墨烯樣品，在石墨烯對應的低能電子衍射（LEED）點陣的√3 × √3/R30°位置出現了新的一套格點(圖1)。氫化后石墨烯的拉曼（Raman）光譜中石墨烯晶格的G和2D特征峰恢復，預示著Ru基底與石墨烯之間的界面有氫原子存在并有效地減弱了石墨烯與金屬基底的強相互作用（圖1）。
圖1. 厘米尺寸晶態三分之一氫化石墨烯的制備示意圖、LEED、Raman光譜和大面積STM圖像。
進一步掃描隧道顯微鏡（STM）研究發現，氫原子與石墨烯晶格中√3 × √3/R30°位置的碳原子化學成鍵形成長程有序的雙面氫化結構（圖2）并延展到整個４mm ×４mm表面。其中碳氫比為三比一，因此稱之為三分之一氫化 石墨烯。理論計算發現，三分之一石墨烯能帶結構中展現各向異性，即在某一對稱性方向上展現具有狄拉克錐的半金屬性質，而其他對稱性方向上展現具有能隙的半導體性質（圖3）。
圖2.
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全部流程如下：
1，建立壁面模型(干酪根，石墨烯，二氧化硅，蒙脫石，高嶺石，伊利石，方解石等)；建立原油組分分子結構；建立注入氣(CO2, CH4, N2)的分子結構；
2，賦予干酪根CVFF力場，粘土礦物ClayFF力場，CO2, N2分別用fix rigid設為剛體，CH4用聯合原子力場，原油組分用OPLS力場。
如圖4c,d所示，Yu及其同事利用乳液聚合方法設計了一種高效太陽能儲能微膠囊PCMs，該微膠囊將二烷和改性黑磷片(mBPs)包裹在高透光性外殼聚合物-聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)中。二糖烷的最大包封效率大于78%，潛熱大于180 J
g
-1。除了具有較高的熱可靠性外，所獲得的微膠囊PCMs還具有與bp結合的優異光熱轉換性能。
如圖4c,d所示，Yu及其同事利用乳液聚合方法設計了一種高效太陽能儲能微膠囊PCMs，該微膠囊將二烷和改性黑磷片(mBPs)包裹在高透光性外殼聚合物-聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)中。二糖烷的最大包封效率大于78%，潛熱大于180 Jg-1。除了具有較高的熱可靠性外，所獲得的微膠囊PCMs還具有與bp結合的優異光熱轉換性能。
圖4.單核-殼NPCM。
石墨烯粉末不同于氧化石墨烯粉末帶有各種親水性含氧官能團，因此石墨烯粉末無法均勻分散于水中，必須添加表面活性劑（如 NMP（N-甲基吡咯烷酮）、PVA（聚乙烯醇）、CMC（羧甲基纖維素）、SDS（十二烷基硫酸鈉）等）來改善分散性，以形成均勻的薄膜，但活性劑的加入同樣會成為聲子散射中心而降低熱導率。
、氮摻雜石墨烯、過渡金屬硫化物、核殼材料、配合物、超分子多孔有機籠和金屬/氧化物納米片等．
金屬烷氧化物之間通過不完全水解和可控縮聚反應，可形成具有反應活性的延伸金屬-硅氧烷聚合物網絡。因此，可以通過金屬烷氧化物和硅烷氧化物的混合物來合成具有各種特性的多組分SA-TIMs。
圖7.SA-TIMs常用硅前驅體的分子結構。
另一方面，因為應用于熱控系統的相變材料是根據其獨特物性而特別選擇的，所以在使用過程中相變材料必須在反復的熔化/凝固循環中保持其物性的穩定．這一問題對于衛星等航天器的應用來說尤為重要，因為相變材料會在衛星的在軌運行中經歷成千上萬次的周期循環．美國先進冷卻技術公司Smay
等
對兩種常用的碳氫化合物相變材料(十八烷和二十烷)進行了1×1
在制備過程中，首先以1,12-二氨基十二烷和丙烯酸為原料合成出含有大量羧基與氨基存在的超分子聚合物(SMP)體系。再將所得超分子聚合物與石墨烯納米片共混加工，得到具有熱塑性質的SMP/GNs復合材料(圖1)。
碳納米管導電劑漿料里通常含有3-5%的碳納米管，其余是溶劑NMP（氮甲基吡咯烷酮）和分散劑。
總而言之，碳納米管對鋰電池，不只是導電劑，還具有多重綜合性的益處。碳納米管在鋰電池里，具有四兩撥千斤的作用，極具深入開發的價值和投資潛力。
回顧碳納米管產業的發展歷程，繼往開來。
正構烷烴CnH2n+2和聚乙烯(PE)分子，由于全反式烷烴鏈上CH2基團上的氫(0.254 nm)和石墨六元環中心(0.246 nm)的緊密外延匹配，而特別強烈地粘附在石墨(001)表面(圖2a, b)。
圖2 石墨上n-C390H782單層膜的原理圖模型和AFM相圖。
