[發(fā)明專利]新型碳同素異形體

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201680010696.3
• 申請(qǐng)日: 2016-02-18
• 公開（公告）號(hào): CN107427800A
• 公開（公告）日: 2017-12-01
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 拉里·伯奇菲爾德
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 穆罕默德·阿法赫希姆;拉里·伯奇菲爾德
• 主分類號(hào): B01J3/06
• 分類號(hào): B01J3/06;C01B32/00;C01B32/194;C01B32/25
• 代理公司: 中國(guó)專利代理(香港)有限公司72001
• 代理人: 劉辛,周李軍

相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用

本專利申請(qǐng)要求于2015年2月18日提交的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)序列號(hào)62/117723和2016年2月16日提交的美國(guó)非臨時(shí)申請(qǐng)15/044461的權(quán)益，上述申請(qǐng)的題目均為“A Novel Carbon Allotrope(新型碳同素異形體)”。

發(fā)明背景

發(fā)明領(lǐng)域

本發(fā)明涉及新型碳同素異形體及其組合物和用途。

相關(guān)技術(shù)的描述

元素碳以各種各樣的同素異形形式(allotropic form)存在于整個(gè)自然界中。該各種各樣的同素異形形式歸因于碳是周期表中唯一已知具有0、1、2或3維異構(gòu)體的元素。碳原子可以以數(shù)種不同的價(jià)鍵雜化電子態(tài)，這允許各種不同的原子鍵合構(gòu)型。異構(gòu)體可以在價(jià)電子軌道中具有sp、sp²或sp³雜化。

如在圖1a至1h中可見(jiàn)，存在八種已知的碳的同素異形體：a)金剛石、b)石墨、c)六方碳(Lonsdaleite)、d)C60(巴克敏斯特富勒烯(Buckminsterfullerene)或巴基球)、e)C540、f)C70、g)無(wú)定形碳、和h)單壁碳納米管或巴基管。

金剛石是最眾所周知的碳同素異形體之一。碳原子排列在晶格中，其為面心立方晶體結(jié)構(gòu)的變型。金剛石中的各個(gè)碳原子與四面體中的四個(gè)其它碳共價(jià)鍵合，如圖1a中所見(jiàn)。這些四面體一起形成呈椅式構(gòu)象的六元碳環(huán)的三維網(wǎng)絡(luò)，允許零鍵角應(yīng)變(zero bond-angle strain)。這種穩(wěn)定的共價(jià)鍵和六邊形環(huán)的網(wǎng)絡(luò)是金剛石作為物質(zhì)如此不可思議地強(qiáng)的原因。

結(jié)果，金剛石表現(xiàn)出任何散裝材料的最高的硬度和熱導(dǎo)率。此外，其剛性晶格防止被許多元素污染。金剛石的表面是親脂性和疏水性的，這意味著它不能被水弄濕，但可以在油中。金剛石通常不與任何化學(xué)試劑(包括強(qiáng)酸和強(qiáng)堿)反應(yīng)。

石墨是碳的另一種同素異形體，并且與金剛石不同，它是電導(dǎo)體和半金屬。石墨是標(biāo)準(zhǔn)條件下最穩(wěn)定的碳形式，且用于熱化學(xué)中作為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)用于定義碳化合物的生成熱。如圖1b中所見(jiàn)，石墨具有層狀平面結(jié)構(gòu)。在各層中，碳原子排列在六方晶格中，間隔為0.142nm，且平面(層)之間的距離為0.335nm。兩種已知的石墨形式——α(六方)和β(菱面體)具有非常相似的物理性質(zhì)(除了層堆疊稍稍不同以外)。六方石墨可以是平的或彎曲的。α形式可以通過(guò)機(jī)械處理轉(zhuǎn)化為β形式，并且β形式在其加熱到1300℃以上時(shí)回復(fù)到α形式。石墨由于碳層內(nèi)的大量電子離域而可以導(dǎo)電；因電子自由移動(dòng)，電流經(jīng)過(guò)層平面。

單層石墨稱為石墨烯。這種材料顯示出色的電學(xué)性能、熱性能和物理性能。它是碳的同素異形體，其結(jié)構(gòu)是緊密堆積在蜂窩晶格中的sp³鍵合碳原子的單個(gè)平面薄片。石墨烯中的碳-碳鍵長(zhǎng)為～0.142nm，并且這些薄片堆疊形成具有0.335nm的平面間距的石墨。石墨烯是碳同素異形體如石墨、木炭、碳納米管和富勒烯的基本結(jié)構(gòu)單元。石墨烯是半金屬或零帶隙半導(dǎo)體，這允許其在室溫下顯示高電子遷移率。

另一已知的碳的同素異形體——六方碳也被稱為“六方金剛石”，這是由于其具有六方晶格的晶體結(jié)構(gòu)，其描繪于圖1c中。金剛石結(jié)構(gòu)通常由以椅式構(gòu)象存在的聯(lián)鎖的(interlocking)六個(gè)碳原子組成。但是，在六方碳中，一些環(huán)卻呈船式構(gòu)象。在金剛石中，在環(huán)的層內(nèi)和環(huán)的層之間兩者的所有碳-碳鍵都呈對(duì)位交叉構(gòu)象，這使得所有四個(gè)立方體對(duì)角線方向等同。而在六方碳中，層之間的鍵呈重疊構(gòu)象，其定義了六方對(duì)稱軸。

無(wú)定形碳是指不具有晶體結(jié)構(gòu)的碳，如由圖1g中描繪的結(jié)構(gòu)顯而易見(jiàn)的。即使可以制造無(wú)定形碳，仍然存在一些類石墨或類金剛石碳的微觀晶體。無(wú)定形碳的性質(zhì)取決于材料中存在的sp²雜化鍵與sp³雜化鍵的比率。石墨僅由sp²雜化鍵組成，而金剛石僅由sp³雜化鍵組成。sp³雜化鍵含量高的材料被稱為四面體無(wú)定形碳(由于由sp³雜化鍵形成的四面體形狀)或類金剛石碳(由于其許多物理性質(zhì)與金剛石的物理性質(zhì)相似)。