炭素材料的研究热点和发展趋势

陈明礼

摘 要：随着各种新技术的层出不穷，对于炭素的研究也进入了一个全新的研究领域，更了更好地推动能源的建设与发展，使其炭素材料可以被广泛的应用于各个领域之中，近年来，我国对炭素材料的研究较以往而言有了很大的进步，但与发达国家相比，仍然存在着一定的差距，需要不断学习和探索。文章主要针对现阶段炭素材料的发展现状进行简要的分析与总结，并就未来发展趋势做出了详细的阐释，仅供参考。

关键词：炭素材料；应用；热点；炭素科学

1 概述

炭素材料，顾名思义其主要成分是由碳元素组成，在材料构成过程中可以有多种形式，每种形式的炭素材料其整体构成要素不同，所表现出来的结构形式、性能也是有所不同的。就目前发展而言，主要有sP型（卡宾碳）、sP2型（石墨、富勒烯、碳纳米管等）和sP3型（金刚石及脂肪碳）三种。但是在实际炭素材料中，以上这三种形式并不多见，单一的存在方式很少，很多材料都混合加入了一些其他的材料，以便更好的运用于实际生活之中，如为了增加其导电性能，就在材料中增加了绝缘导体，一些材料为了增加其硬度也在材料中增加了比较坚硬的硬性物质-金刚石。随着可持续发展、节约能源概念的提出，对传统的炭素材料的性能及使用也提出了更高的要求，现比较常见的就是多孔碳材料使用最多，它能有效的改善对环境的影响，也是炭素材料目前研究的重点材料。从炭素研究重点来看，除了多孔碳材料外，还有纳米碳材料和含碳复合材料，构成了当今炭素材料研究领域的重点。

2 炭素材料的三大研究热点

2.1 多孔碳材料

多孔碳材料，从能源角度出发，它主要应用于双电层电容器的电极材料和清洁能源中，是清洁能源氢气和天然气存储的主要载体。前者是利用外界电压对金属离子产生作用来完成存储功能，这种方法可以有效的通过电压将其转化电化学的方式，极大的延长了其循环使用的寿命，具有很好的发展前景。后者就利用多孔原理将其气体很好的吸附在能源物质上来加以存储，这种方法尤其是在常温下，能充分发挥存储的功能，实现其环境存储，就这一点而言，是任何材料无可比拟的。

2.2 纳米碳材料

自富勒烯出现以来，研究学者就将其与纳米碳管联系在一起，不断对其研究，其中也包括储氢性能、电化学性能、场发射性能和填充增强性能等。通过研究发现，这种结合材料使其具有了一些传统所不具备的性质-场发射性能。对于这类的研究还需要进一步去关注。就目前而言，研究最多的则是纳米碳材料的提取及净化，主要原理则是利用酸和氧化的方式进行处理，例如利用金属催化剂可被酸刻蚀的特性将催化剂颗粒除去，利用不同类型纳米碳管抗氧化能力的不同对其进行氧化处理，得到单一类型的纳米碳管。纳米碳管的应用研究包括用作电子器件、电极材料、催化剂载体、填充物、气体传感器、气体存储、贵金属提取吸附剂等列。由上述可知，这种材料的使用将越来越广，尤其是在能源日益紧张的情况下，它能充分发挥其效用，得到极大的重视。

2.3 复合材料

在复合材料的研究中，其抗氧化性能的研究最多，与炭素材料本身的特性及在复合材料中的氧化性的要求从某种程度上说是一致的。炭素材料虽然具有一定的抗氧化能力，但随着环境温度的提高和抗氧化强度的提高，炭素材料的烧蚀率明显提高。作为炭素材料的烧蚀，其机械性能将逐渐变差，缩短其使用寿命。同时，复合材料具有优异的力学性能和耐热性能，在航空航天上得到了广泛的应用。为了解决高温下氧化烧蚀问题，现在采取的氧化技术主要是在复合材料表面添加氧化层，主要是对碳化硅涂层材料和复合涂层的组合物进行抗氧化剂。复合材料研究的另一重要内容是其耐磨性，提高复合材料的使用寿命，从而使基复合材料能成功地应用于摩擦材料的研究中。为了达到良好的结合和增强体质，提高复合材料的综合性能，增强表面改性处理或使用阶段的化学气相渗透复合材料的致密化加工技术，这也是当前的重要课题。

3 炭素材料的主要研究方向

3.1 能源开发和利用

从当前炭素相关的学术论文所反映的研究内容来看，炭素材料在能源方面的应用主要包括用作EDLC的电极材料、氢气和天然气的存储载体、燃料电池催化剂载体和双极板、锂离子二次电池的负极材料等。

目前锂离子二次电池负极材料的大规模工业化生产和电池厂规模的逐步扩大化，也说明了锂离子二次电池负极材料的生产技术已日趋成熟。炭素材料用作能源材料的另一个重要研究方向是由燃料电池相关材料的研发所带动的。这些研究内容包括：的安全化存储、高效催化剂载体和新型碳基双极板等。以为能源的燃料电池是新一代清洁型动力电源，目前面临的几个重要问题是：安全化存储、催化剂的高效利用和整体成本的降低。而这几个问题都可以通过对炭素材料的合理利用来加以解决，如利用多孔碳材料储氢可以避开压缩储氢的体积大和高危险的缺点；利用纳米炭素材料作为催化剂的载体可以实现催化剂颗粒的高度分散，从而最大限度地提高催化性能；利用碳材料制成的双极板具有抗腐蚀、易加工等特点，如果利用一次成型技术直接模压成双极，还可以大大降低双极板的成本。

3.2 环境治理

目前炭素材料在有关环境治理方面的应用研究极其广泛，其中水处理方面的研究占2.6%左右，而气相净化方面的研究占了约3.7%。环境治理使用的炭素材料仍旧为多孔碳材料，但研究重点已偏向对多孔碳材料的改性和处理上，对多孔碳材料的表面性质、孔径大小进行调节；在碳材料表面引入催化剂的方法实现对污染物吸附和降解的双重功能等等。

3.3 生物醫用材料

由于碳材料和生物体（包括人体）具有良好的生物相容性，因此碳材料成为制造生物材料的一类重要材料。由于碳材料的力学性能能够满足生物材料的要求，因此研究重点仍旧是对生物体相容性的进一步研究或生物体中细胞、神经元等在这些材料上的发育情况的研究。随着纳米碳材料科学的发展，生物碳材料研究的重点也有向纳米碳材料方向转移的趋势。在目前有关炭素材料用作生物材料的研究报道中，纳米碳材料的研究占到了近55%。

4 炭素材料的基础研究

对于炭素材料领域的研究不仅仅包括对炭素形成过程中的研究分析，还包括对各种物理作用及化学反应的研究。从某种角度来讲，基础研究就是对于炭素形成过程的整个过程进行细致的研究分析，依据炭素结构、性质和应用的不同，统计出相关的数据分析，加以研究。不能将其单独的分割出来，这样会影响整个炭素的分析过程。

5 结束语

综上所述，炭素材料当前的研究重点突出表现以下两大特点：第一，炭素材料在能源开发、环境治理等方面有着不可替代的重要作用，利用炭素材料进行新的相关要素研究逐渐被重视起来；第二，纳米材料的逐渐成熟，将对其他相关工业技术的发展起到一定的推动作用，并改变原有的应用领域，被应用到各个方面。炭素材料的研究随着科技创新的不断变化与发展，还应不断前进，为其更好的发展提供良好的理论基础与方法依据。

参考文献

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