作者：李莉 周全法 劉雪梅 李卉卉 楊小弟 單位：南京師范大學化學與材料科學學院 江蘇技術師范學院化學與環境工程學院

由于碳材料本身的電性能的優越，其在電化學分析中的地位也越來越重要。還有碳材料與相關金屬的配位能力，它又成為有機配位化學的新寵。談及應用性，碳材料運用于儀器分析教學的例子絕不在少數。因此，我們說新型碳材料的重要性已讓各個學科都不能忽視它們。在本科教學中，我們可以重點教授它的基礎結構方面知識；而在研究生教學方面，重點則可以放在科研運用上。國內大學課程概況由于新型碳材料蘊含著理論上勃勃的生命力及實踐上無限的發展潛力，國內大學有關物理、化學及材料相關學科已紛紛開設相關課程。關于此方面基礎內容的學習，我們在本科教學中的無機化學、物理化學及結構化學課程或化學前沿課程中均有涉及，而針對相關專業研究生，內容會設置得更深入更具應用性。以下表１作為例證展示。我們可以由表中領會到國內各大學都十分重視碳材料相關學科，已開設的基礎理論課程旨在將理論運用到實踐研究中，以期得到更新更有意義的創新成果。

相關碳材料的教學運用既然新型碳材料涉及多個學科的交叉，那么高校教師就必須重視這一領域的最新發展，將其融合進自己的課堂教學和實踐過程中，引發學生的興趣并塑造他們的知識素養，使教學始終保持旺盛的活力和足夠的吸引力，為高素質創新型人才的培養打下堅實基礎。本文重點介紹現階段發展迅速的碳納米材料（富勒烯、碳納米管和石墨烯）的相關教學運用。在無機化學雜化軌道理論章節中，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構展示給學生看，可以讓學生不單認識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到雜化軌道的真實展示。講授結構化學原子結構及點群一章時，我們向學生補充講授碳的各類同素異形體對稱性情況及所屬點群，把理論中的原子結構化學鍵與當前前沿領域結合起來，以引發學生的求知欲和對科研工作的向往。［１］在化學前沿課程介紹碳納米材料時，初次接觸到這些名詞的學生可能難以接受。我們可以適時地把科學家語錄或者形象比喻引入課堂中。比如介紹富勒烯，我們就把該領域的權威專家中科院化學所王春儒研究員的評論作為引言：“諸多異乎尋常的性能，使富勒烯對化學、物理、材料、醫藥、微電子等領域產生了深遠影響，在應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，則可以引用諾貝爾獎委員會所舉的例子：“碳納米管中碳原子的對稱性使其比計算機芯片上硅的導電性更好，其電阻更低產生的熱量也更少，這一特性對于芯片制造商來說其價值是巨大的。”“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”。相信學生聽完了這些比喻后會對這３類碳納米材料留下深刻的印象，且理解了相關性質。同時，他們也會由此對其充滿興趣，對化學這一神奇的學科充滿熱愛及探索的欲望。

新型碳材料的研究對化學科研的影響

新型碳材料的性質幾乎可以包括所有物質的性質甚至相對立的性質：從全透光到全吸光、極硬到極軟、隔絕熱到良導熱、絕緣體到半導體再到導體、超導體等。國內外已有相當一部分機構專門研究相關碳材料的創新應用。例如，中科院蘭州化學物理研究所、清華大學的一碳化工國家重點實驗室、上海大學的低維碳材料與器件物理研究所、美國肯塔基大學的先進碳材料中心以及山西大同大學的碳材料研究所等等。本文重點介紹碳納米材料（富勒烯、碳納米管和石墨烯）的相關科研運用。

（一）富勒烯的相關應用材料學方面：富勒烯的高度對稱性決定了它在電、磁、光材料領域的應用十分重要。例如，北大合成的Ｋ３Ｃ６０和ＲｂＣ６０超導體及中科院研究出的Ｃ６０與四氮富勒烯化合物形成電荷轉移復合物，均達到當時期國際先進水平；再如由Ｃ６０摻入高分子合成光學限幅材料，將有機配合物與之配伍形成有機鐵磁體，實現了人們以廉價碳材料代替昂貴金屬材料的期望。生物功能學方面：它的衍生物具有良好的生物活性，能使ＤＮＡ選擇性地進行分裂；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、仿生化學領域有重要作用。電化學方面：基于富勒烯衍生物來修飾電極的ＤＮＡ電化學傳感器的研究已獲得了一定進展。

（二）碳納米管的相關應用電化學方面：碳納米管用于修飾電極可以降低氧化還原反應產生的過電位，對生物分子活性中心的電子傳遞具有促進作用，能改善生物分子氧化還原的可逆性。基于多壁碳納米管復合膜的電化學ＤＮＡ生物傳感器可實現特異性基因片段的快速檢測。基于碳納米管的電化學生物傳感器用于環境檢測的研究也頗具進展。材料學方面：碳納米管具有優良的電學和力學性能，是復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用研究領域之一。碳納米管儲氫材料在燃料電池系統中用于氫氣存儲。由于其表面原子配位不全以及鍵態與內部不同等導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：在電泳領域，碳納米管可作為電泳分離介質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、液相色譜和毛細管電動色譜的固定相。在質譜分析中，碳納米管的背景信號少，因此作底物時峰強、分辨率及信噪比均有很大提高。在分子光譜領域，羧基化碳納米管引入了親水基團，降低溶液的表面張力使檢測的靈敏度和穩定性增強。在萃取法中，其共軛結構體系可與有共軛結構的化合物強烈吸附，使檢測限大大提高。

（三）石墨烯的相關應用電化學方面：基于石墨烯的超級電容器具有良好的功率特性，有其獨特的優勢。薄層石墨烯在鋰離子電池負極材料中也有較好的應用前景。良好的透光性和導電性使它在電池領域成為很有潛力替代ＩＴＯ的新材料。結合高比表面積和對金屬離子的富集作用，石墨烯修飾電極被廣泛應用于無機金屬離子的檢測。此外，石墨烯良好的電化學發光性能使它又成為繼量子點之后又一靈敏的電化學發光材料，可用于電化學檢測。材料學方面：石墨烯具有優異的電學性質、機械性能以及高比表面積，利用其對一些材料進行修飾，或與聚合物、金屬、半導體等復合，可得到優異的復合功能材料。由于石墨烯具有優異的氫氣吸附特性，它可作為儲氫材料。在生活中，石墨烯還可作為超導材料、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，對外界事物的響應極其靈敏，利用石墨烯制成單分子檢測器就能成為高靈敏傳感器；哈佛大學和麻省理工大學聯合發現石墨烯非晶體碳復合膜制成人工膜可用于ＤＮＡ測序。各類基于石墨烯修飾的生物傳感器被廣泛研究對于生物質的檢測，比如谷胱甘肽、輔酶等。