作者：李莉 周全法 刘雪梅 李卉卉 杨小弟 单位：南京师范大学化学与材料科学学院 江苏技术师范学院化学与环境工程学院
由于碳材料本身的电性能的优越，其在电化学分析中的地位也越来越重要。还有碳材料与相关金属的配位能力，它又成为有机配位化学的新宠。谈及应用性，碳材料运用于仪器分析教学的例子绝不在少数。因此，我们说新型碳材料的重要性已让各个学科都不能忽视它们。在本科教学中，我们可以重点教授它的基础结构方面知识；而在研究生教学方面，重点则可以放在科研运用上。国内大学课程概况由于新型碳材料蕴含着理论上勃勃的生命力及实践上无限的发展潜力，国内大学有关物理、化学及材料相关学科已纷纷开设相关课程。关于此方面基础内容的学习，我们在本科教学中的无机化学、物理化学及结构化学课程或化学前沿课程中均有涉及，而针对相关专业研究生，内容会设置得更深入更具应用性。以下表1作为例证展示。我们可以由表中领会到国内各大学都十分重视碳材料相关学科，已开设的基础理论课程旨在将理论运用到实践研究中，以期得到更新更有意义的创新成果。
相关碳材料的教学运用既然新型碳材料涉及多个学科的交叉，那么高校教师就必须重视这一领域的最新发展，将其融合进自己的课堂教学和实践过程中，引发学生的兴趣并塑造他们的知识素养，使教学始终保持旺盛的活力和足够的吸引力，为高素质创新型人才的培养打下坚实基础。本文重点介绍现阶段发展迅速的碳纳米材料（富勒烯、碳纳米管和石墨烯）的相关教学运用。在无机化学杂化轨道理论章节中，由于金刚石是sp3杂化，富勒烯、碳纳米管和石墨烯都是sp2杂化，卡拜是sp杂化，我们将碳材料的多种同素异形体的立体结构展示给学生看，可以让学生不单认识到平面分子中的杂化轨道，而且从立体影像中能更形象地体会到杂化轨道的真实展示。讲授结构化学原子结构及点群一章时，我们向学生补充讲授碳的各类同素异形体对称性情况及所属点群，把理论中的原子结构化学键与当前前沿领域结合起来，以引发学生的求知欲和对科研工作的向往。［1］在化学前沿课程介绍碳纳米材料时，初次接触到这些名词的学生可能难以接受。我们可以适时地把科学家语录或者形象比喻引入课堂中。比如介绍富勒烯，我们就把该领域的权威专家中科院化学所王春儒研究员的评论作为引言：“诸多异乎寻常的性能，使富勒烯对化学、物理、材料、医药、微电子等领域产生了深远影响，在应用方面显示出诱人前景。”介绍碳纳米管和石墨烯的卓越性能时，则可以引用诺贝尔奖委员会所举的例子：“碳纳米管中碳原子的对称性使其比计算机芯片上硅的导电性更好，其电阻更低产生的热量也更少，这一特性对于芯片制造商来说其价值是巨大的。”“如果用1平方米的石墨烯吊床去承载4公斤的猫，那么这只吊床只有0．77毫克，比猫的一根胡须还轻，并且用肉眼几乎看不到这只吊床的存在”。相信学生听完了这些比喻后会对这3类碳纳米材料留下深刻的印象，且理解了相关性质。同时，他们也会由此对其充满兴趣，对化学这一神奇的学科充满热爱及探索的欲望。
新型碳材料的研究对化学科研的影响
新型碳材料的性质几乎可以包括所有物质的性质甚至相对立的性质：从全透光到全吸光、极硬到极软、隔绝热到良导热、绝缘体到半导体再到导体、超导体等。国内外已有相当一部分机构专门研究相关碳材料的创新应用。例如，中科院兰州化学物理研究所、清华大学的一碳化工国家重点实验室、上海大学的低维碳材料与器件物理研究所、美国肯塔基大学的先进碳材料中心以及山西大同大学的碳材料研究所等等。本文重点介绍碳纳米材料（富勒烯、碳纳米管和石墨烯）的相关科研运用。
（一）富勒烯的相关应用材料学方面：富勒烯的高度对称性决定了它在电、磁、光材料领域的应用十分重要。例如，北大合成的K3C60和RbC60超导体及中科院研究出的C60与四氮富勒烯化合物形成电荷转移复合物，均达到当时期国际先进水平；再如由C60掺入高分子合成光学限幅材料，将有机配合物与之配伍形成有机铁磁体，实现了人们以廉价碳材料代替昂贵金属材料的期望。生物功能学方面：它的衍生物具有良好的生物活性，能使DNA选择性地进行分裂；它还具有抗病毒活性，用其合成生物功能材料、催化剂，在超分子化学、仿生化学领域有重要作用。电化学方面：基于富勒烯衍生物来修饰电极的DNA电化学传感器的研究已获得了一定进展。
（二）碳纳米管的相关应用电化学方面：碳纳米管用于修饰电极可以降低氧化还原反应产生的过电位，对生物分子活性中心的电子传递具有促进作用，能改善生物分子氧化还原的可逆性。基于多壁碳纳米管复合膜的电化学DNA生物传感器可实现特异性基因片段的快速检测。基于碳纳米管的电化学生物传感器用于环境检测的研究也颇具进展。材料学方面：碳纳米管具有优良的电学和力学性能，是复合材料的理想添加剂。碳纳米管电容器具有良好的放电性能，锂离子电池是碳纳米管应用研究领域之一。碳纳米管储氢材料在燃料电池系统中用于氢气存储。由于其表面原子配位不全以及键态与内部不同等导致表面活性位置增加，它又成为理想的催化剂载体材料。［2］仪器分析方面：在电泳领域，碳纳米管可作为电泳分离介质添加剂或作为一种固定相；在色谱法中，多壁碳纳米管石墨化程度较高，可作为气相色谱、液相色谱和毛细管电动色谱的固定相。在质谱分析中，碳纳米管的背景信号少，因此作底物时峰强、分辨率及信噪比均有很大提高。在分子光谱领域，羧基化碳纳米管引入了亲水基团，降低溶液的表面张力使检测的灵敏度和稳定性增强。在萃取法中，其共轭结构体系可与有共轭结构的化合物强烈吸附，使检测限大大提高。
（三）石墨烯的相关应用电化学方面：基于石墨烯的超级电容器具有良好的功率特性，有其独特的优势。薄层石墨烯在锂离子电池负极材料中也有较好的应用前景。良好的透光性和导电性使它在电池领域成为很有潜力替代ITO的新材料。结合高比表面积和对金属离子的富集作用，石墨烯修饰电极被广泛应用于无机金属离子的检测。此外，石墨烯良好的电化学发光性能使它又成为继量子点之后又一灵敏的电化学发光材料，可用于电化学检测。材料学方面：石墨烯具有优异的电学性质、机械性能以及高比表面积，利用其对一些材料进行修饰，或与聚合物、金属、半导体等复合，可得到优异的复合功能材料。由于石墨烯具有优异的氢气吸附特性，它可作为储氢材料。在生活中，石墨烯还可作为超导材料、防静电衣料、减少噪声的元件等。［3］生物传感方面：由于碳原子都在外表面上，对外界事物的响应极其灵敏，利用石墨烯制成单分子检测器就能成为高灵敏传感器；哈佛大学和麻省理工大学联合发现石墨烯非晶体碳复合膜制成人工膜可用于DNA测序。各类基于石墨烯修饰的生物传感器被广泛研究对于生物质的检测，比如谷胱甘肽、辅酶等。#p#分页标题#e#
新型碳材料应用前景展望
我们已经建立了从零维到三维的碳范式（零维富勒烯、一维碳纳米管、二维石墨烯、三维石墨或金刚石）。［4］现在富勒烯已在电子器件、功能塑料和生物医药等方面得到实际应用，不久还将诞生非金属电缆、非金属电路板等富勒烯产品。基于独特的电子特性、表面特性、出色的导电导热性，碳纳米管将继续在仪器分析领域发挥其独特作用，还有望用作纳米半导体材料、近场发射材料、分子导线等。石墨烯是目前已知导电性能最出色的材料，这使它在微电子领域具有巨大的应用潜力。随着人们对石墨烯及其复合材料研究的深入，石墨烯及其复合材料在电化学中的应用将会得到更广泛的关注，研究人员甚至将石墨烯看做是硅的替代品，用来生产未来的超级计算机。综上所述，新型碳材料从教学、科研等多方面影响着人们的生活，其将在今后很长一个时期中继续绽放光芒。
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