碳材料与环境（浅谈）

一、碳材料的起源

可以追溯到宇宙大爆炸时期。在宇宙形成的过程中，碳元素是由宇宙早期的核合成过程产生的。在大爆炸理论中，宇宙最初是一个高温密闭的火球，内部充满了高能光子。随着宇宙的不断膨胀，温度逐渐下降，这些高能光子开始转化为物质，形成了质子、中子和电子等基本粒子。

至于碳材料的物理性质，碳元素是元素周期表上的一员，位于第IV主族。它具有四个自由电子，这使得碳原子既不容易失去电子也不容易得到电子。这种特性使得碳原子之间可以形成共价键，从而形成了多种类型的碳材料，如金刚石、石墨、碳纤维等。
这些碳材料具有一些独特的物理性质，如高强度、高硬度、良好的热导率和电导率等。不久前，工信部明确表示将碳基材料纳入“十四五”原材料工业相关发展规划，并将碳化硅复合材料、碳基复合材料等纳入“十四五”产业科技创新相关发展规划。 新材料被誉为制造业的“底盘”，是支撑国家重大工程和战略性新兴产业的重要基础。 而处于“金字塔”基上的碳基新材料，是品种多、应用广、附加值高的典型一族。 中国科学院炭材料重点实验室副主任陈成猛在接受《中国科学报》采访时表示，我国碳基材料行业与发达国家相比仍然存在一定差距。 “在基础炭材料领域，高精尖品种大量依赖进口，仍面临‘卡脖子’风险，亟须提高自主创新能力，加强科技攻关。” 但他也指出，在前沿炭材料领域，我国处于与国际并行乃至领跑状态，相关产业正加速崛起，“如何在低成本大规模制备的基础上，开拓应用场景，推进产业化，对于抢占新兴产业制高点具有重要战略意义”。

二、碳材料的性质
1.物理性质
碳材料具有高透光性、高电导率、高热导率、高耐腐蚀性等物理性质。其透光性可与玻璃相媲美，电导率和热导率可与铜和铝相媲美。
2.化学性质
碳材料是一种耐腐蚀的材料，具有很高的化学稳定性，对大多数酸、碱和盐都有很好的抗腐蚀性。
三、碳材料的分类
1.石墨烯
石墨烯是一种由单层碳原子组成的二维材料，具有高透光性、高导电性和高热导率等特性。石墨烯是目前为止已知的最强的材料之一，具有很高的应用价值。

2.碳纳米管
碳纳米管是一种由多层碳原子组成的管状材料，具有高柔韧性、高导电性和高热导率等特性。碳纳米管可广泛应用于电子器件、催化剂载体、电池等领域。
3.碳纤维
碳纤维是一种由大量碳原子组成的纤维状材料，具有高强度、高刚度、高耐腐蚀性等特性。碳纤维可广泛应用于航空航天、汽车制造、医疗器械等领域。

四、碳材料的制备方法
1.化学气相沉积法
化学气相沉积法是一种制备碳纳米管和石墨烯等碳材料的重要方法。在一定条件下，通过催化剂的作用，含碳气体在基底表面沉积成固体碳层，然后进行高温处理即可得到所需的碳材料。
2.静电纺丝法
静电纺丝法是一种制备碳纳米纤维的方法。在一定条件下，含有碳前驱体的溶液在高压电场的作用下产生静电纺丝，经过热解后得到碳纳米纤维。
3.高温热解法
高温热解法是一种制备碳纤维的方法。将含有碳前驱体的纤维在高温下进行热解，得到碳纤维。

五、碳材料的应用

1.能源领域

碳材料在能源领域具有广泛的应用。例如，石墨烯可以用于太阳能电池和锂电池的电极材料，提高电池的能量密度和充放电速度；碳纳米管可以用于储氢材料，提高储氢量和储氢速率；碳纤维可以用于燃料电池的催化剂载体，提高催化剂的活性和稳定性。
2.环境领域
碳材料在环境领域也有着广泛的应用。例如，石墨烯可以用于水处理和空气净化领域，提高处理效率和净化效果；碳纳米管可以用于吸附和去除水体和空气中的有害物质；碳纤维可以用于制作环境传感器，监测环境中的化学物质和污染物的含量。

六、碳材料产业链

上游主要包括原材料，如煤、石油、天然气等有机物质。这些原材料经过一系列加工处理过程后，得到不同种类的碳基材料，如金刚石、石墨烯、碳纳米管、碳纤维等。这些碳基材料再被应用于半导体、电子器件、光伏电池、航空航天等下游领域中。
在上游领域中，我国有一些优秀企业，如山东能源集团有限公司、国家能源投资集团有限责任公司、中国石油化工股份有限公司、中国石油天然气股份有限公司等，它们在原材料的开采和加工方面有着较强的实力。

在中游领域，碳基材料的制备和处理也是非常重要的环节。这些碳基材料需要根据不同的应用需求进行精细化处理，以满足下游领域的应用要求。

在下游领域中，碳基材料的应用非常广泛，如半导体制造、电子产品、光伏电池制造、航空航天等领域。在这些领域中，碳基材料可以发挥其独特的性质和优势，提高产品的性能和可靠性。
总的来说，碳材料是一个具有重要战略意义的产业，它涉及到多个领域的应用和发展。在我国，碳材料产业链的上下游也正在不断完善和拓展，为推动我国经济发展和提升国家竞争力做出了积极贡献。

 

七、碳材料的结构组成

 

这些原子通过共价键或范德瓦尔斯键结合在一起形成各种结构。根据形成方式，碳材料主要分为两种：天然碳材料和人造碳材料。天然碳材料包括石墨和金刚石。石墨是一种层状结构的碳原子，由六角形网格平面组成，每个碳原子具有四个自由电子，它的导电性和导热性很好，适合用于制作电极、热交换器等领域。金刚石是另一种常见的天然碳材料，它是由碳原子形成的四面体结构，每个碳原子与四个相邻的碳原子形成共价键，它的硬度非常高，适合用于制作切割工具、装饰品等领域。

人造碳材料主要包括碳纤维、活性炭、富勒烯和纳米碳管等。碳纤维是一种由高分子纤维在一定条件下进行热解制得的碳材料，它的强度高、重量轻、耐腐蚀性强，适合用于制作飞机、火箭等高性能复合材料。活性炭是一种经过表面处理的碳材料，它的表面具有很高的活性，可以吸附气体和液体中的杂质和异味，适合用于制作净水器、空气净化器等领域。富勒烯和纳米碳管则是在一定条件下将碳原子排列成球形或管状结构的碳材料，它们的强度高、韧性好、耐高温高压，适合用于制作高级润滑剂、燃料添加剂等领域。

总的来说，碳材料的结构多种多样，每种结构都具有其独特的性质和用途。随着科技的不断进步，人们对碳材料的研究和应用也在不断深入和拓展。

 

八、碳材料的市场前景

作为一种性能优异的新型材料，其市场前景广阔。根据不同的应用领域和市场情况，碳材料的市场前景主要有以下几个方面：
1.新能源领域：碳材料在新能源领域中有广泛的应用，如碳基复合材料可以用于制造高效能电池和超级电容器。另外，石墨烯作为一种优秀的导电材料，可以用于制造太阳能电池和风力发电叶片等。随着新能源技术的不断发展，碳材料在新能源领域的应用前景将更加广阔。
2.汽车领域：碳材料在汽车领域中可以用于制造轻量化构件和高效能发动机部件等。例如，碳纤维复合材料可以用于制造汽车车身和零部件，提高其轻量化和高效能。另外，石墨烯还可以用于制造高效能燃料电池，提高汽车的动力和经济性能。
3.航空航天领域：碳材料在航空航天领域中可以用于制造高性能飞机和航天器等。例如，碳纤维复合材料可以用于制造轻量化机翼和机身等，提高其性能和经济性。另外，石墨烯还可以用于制造高效能航空发动机，提高飞机的动力和经济性能。
4.工业领域：碳材料在工业领域中可以用于制造高性能零部件和工具等。例如，碳纤维复合材料可以用于制造高级机械零部件和工业管道等，提高其性能和使用寿命。另外，石墨烯还可以用于制造高效能泵和阀门等，提高工业生产效率。

总的来说，碳材料作为一种高性能的新型材料，其市场前景广阔。随着科技的不断进步和应用领域的不断拓展，碳材料的市场需求将会保持稳定增长。同时，国家对于碳基新材料产业的支持政策也将为碳材料行业的发展提供良好的政策环境和发展机遇。因此，我们有理由相信碳材料行业的前景十分广阔。

 

九、碳材料的光热转换原理

主要是基于碳材料的能级跃迁和黑色吸光特性。

首先，碳材料的能级跃迁是指碳材料中的电子在吸收光能后，会从低能级跃迁到高能级，并在跃迁过程中释放出热能。这种能级跃迁过程主要是通过sp3和sp2杂化以及π电子云实现的，这个过程会使得电子所在的能级提高，产生热能。
其次，碳材料的黑色吸光特性是指碳材料可以吸收可见光波中的大量光波，并将其转化为热能。这种黑色吸光特性使得碳材料在光照下能够更有效地将光能转化为热能。
因此，在碳材料的光热转换过程中，当太阳光照射到碳材料表面时，碳材料会吸收光能并产生热量。这种吸收和产生热量的过程会使得碳材料表面的温度升高，从而实现光热转换。
需要注意的是，碳材料的光热转换效率和碳材料的类型、粒度、表面改性等因素有关。因此，为了提高碳材料的光热转换效率，需要对碳材料进行优化和改性处理。例如，可以选用具有高吸收系数和高热导率的碳材料，或者对碳材料进行表面涂层、掺杂等改性处理来提高其光热转换效率。

十、富勒烯（Fullerene）

是一种完全由碳组成的中空分子，形状呈球型、椭球型、柱型或管状。它是在1985年被意外合成后才被广泛研究和应用。富勒烯在结构上与石墨很相似，但石墨是由六元环组成的石墨烯层堆积而成，而富勒烯不仅含有六元环，还含有五元环和七元环。根据碳原子的总数不同，富勒烯可以分为C20、C60、C70、C80等，其中最小的富勒烯是C20，而C60是最为研究的富勒烯。C60的笼状结构使其具有高度的稳定性，因此在富勒烯家族中被称为buckminsterfullerene或buckyballs。
富勒烯因其独特的零维结构，自被发现以来一直是近年来最重要的含碳纳米材料之一，其在电、光、磁、材料学等方面都得到了广泛的应用。例如，C60的超导性就得到了应用，并用于制备高性能电缆。此外，富勒烯在生物医学领域也有广泛应用，如以富勒烯为载体将药物传递到细胞内。
中国矿业大学科研团队于2022年11月发现了目前地球上最大的天然“碳洋葱”，即外径约55纳米的天然洋葱状富勒烯。

 

十一、碳材料的开发难点：
1.制备过程难以控制：碳材料的制备需要高温高压环境，反应过程难以控制。过高的温度可能导致材料烧结或晶粒生长过大，而过低的温度则可能导致制备效率低下。
2.杂质和缺陷控制困难：碳材料本身很容易受到氧化、碳化等化学反应的影响，同时制备过程中可能会出现其他杂质和缺陷，对材料性能产生负面影响。
3.原料准备难度大：碳材料的制备需要使用高纯度的原料，而这些原料的准备和纯化都非常困难，容易受到杂质的影响。
4.制备成本高：碳材料的制备需要高温高压环境，设备和工艺成本较高，制备成本也较高。
5.大规模制备难度大：目前大规模制备碳材料仍然存在技术难度，制备过程可能需要较长的时间，且难以实现连续生产。

此外，碳纤维的制备也存在一些难点和挑战。其中，原丝的制备是碳纤维制备过程中的一个关键环节，但目前国内原丝制备过程中存在一些技术难点，如原丝质量调控能力弱、稳定性较差等问题。此外，碳纤维生产工艺中的核心技术也需要突破。同时，生产设备的自动化程度、可靠性及智能制造等方面的要求也非常重要。

十二、碳材料的生产环节与环境治理

在碳材料的生产过程中，由于需要使用大量的能源和原材料，同时会产生大量的废气、废水和废渣等污染物，对环境造成很大的影响。因此，在碳材料的生产过程中，必须采取有效的环境治理措施，减少对环境的污染和危害。

首先，对于碳材料生产过程中的能源消耗和资源利用，应该采取更加环保和可持续的方式。例如，采用可再生能源和节能技术，提高资源利用效率，减少能源和资源的浪费。此外，应该采用环保型的生产工艺和设备，减少生产过程中的废气、废水和废渣等污染物的排放。

其次，对于碳材料生产过程中产生的污染物，应该采取有效的治理措施。例如，采用环保型的生产配方和工艺流程，避免产生有毒有害的副产物。同时，应该加强废气、废水和废渣等污染物的治理和回收再利用，减少对环境的污染和危害。

此外，对于碳材料的生产和应用，应该加强环保意识的宣传和教育，提高企业和公众的环保意识和责任感。同时，应该加强政府监管和管理，制定更加严格的环保政策和法规，促进碳材料产业的可持续发展。

十三、碳材料的废水和废气处理工艺和设备：
1.工艺：

（1）沉淀槽：通过化学物质的作用使废水中的悬浮物和颜色等降低，并可使废水中一些固体物质沉淀下来。
（2）活性炭吸附器：活性炭是一种物理吸附剂，具有较高的表面活性和吸附能力。活性炭吸附器可以将废水中的有机物、混合气体等物质吸附下来，从而达到净化废水的目的。
（3）生物过滤器：通过微生物降解和利用废水中的有机物质，将其转化为无害的物质，达到处理碳纤维生产废水的目的，因此适合有机物质含量较高的碳纤维生产废水处理。
（4）膜分离技术：膜分离技术透过不同精度的膜过滤废水，将水中所含的杂质和离子分离出来。该技术是一种高效分离的方法，可以去除溶解的有机物和遗漏的离子等物质。
（5）化学处理技术：运用化学物质的反应作用使碳纤维生产废水中的有害废物发生固化、沉淀、晶化和还原等过程，达到减少和清除污染物质的目的。
2.设备：曝气装置、沉淀池、除铁除锰系统等。

3.活性炭过滤催化燃烧设备：

该设备采用活性炭吸附脱附+催化燃烧技术，利用高吸附脱附性能、低风阻的活性炭材料（如蜂窝状活性炭）作为吸附剂吸附低浓度的工业废气。在一定条件下脱附，达到富集浓缩的目的。
脱附后的高浓度有机废气在以蜂窝状陶瓷材料为载体的贵金属催化剂作用下，于250～550℃下氧化为CO2和H2O等无害物质。

 

十四、国内在碳材料领域的领先企业有：
1.中复神鹰：这是一家国内碳纤维龙头企业，自主研发掌握了碳纤维生产全流程核心技术，率先突破千吨级碳纤维原丝干喷湿纺工业化制造技术，主要产品为T700级及以上小丝束碳纤维。
2.中简科技：这是一家国内高性能碳纤维产业化领域的领先者，专业从事高性能纤维研发、生产和销售，已实现ZT7系列高性能碳纤维产品在国家航空航天领域的长期稳定批量应用。
3.光威复材：这是一家国内碳纤维行业领军企业，形成了从原丝开始的碳纤维、织物、树脂、高性能预浸材料到应用于国防军工及民用领域的复合材料、碳纤维制品的完整产业链布局。

碳纤维指的是含碳量在90%以上的高强度高模量纤维。耐高温居所有化纤之首。用腈纶和粘胶纤维做原料，经高温氧化碳化而成。是制造航天航空等高技术器材的优良材料。