石墨烯论文石墨烯的制备石墨烯的应用石墨稀——石墨烯.doc

石墨烯论文石墨烯的制备石墨烯的应用石墨稀——
石墨烯的制备方法及其应用特性
张伟娜何伟张新荔
(西安交通大学能源与动力工程学院化学工程系,西安710049)
摘要近3年来,石墨烯以其独特的结构和优异的性能,在化学、物理和材料学界引起了轰动。引用大量最新的参考文献,介绍了石墨烯的研究现状,通过评述石墨烯的合成、功能化以及近期应用概况,展望了石墨烯的发展前景和研究方向,认为借鉴各种方法的优势,综合运用,可以制备单层、结构完整和高电导率的石墨烯,并进一步将其功能化,拓展其应用领域并已取得较大的进展,这一途径被认为是石墨烯规模化应用的战略起点。
关键词石墨烯,功能化石墨烯,合成,性能,应用
石墨烯(Graphene)自2004年被英国曼彻斯特大学的教授Geim等报道后,以其奇特的性能引起了科学家的广泛关注和极大的兴趣,被预测很有可能在很多领域引起革命性变化。单层石墨烯以二维晶体结构存在,厚度只有01334nm,它是构筑其它维度炭质材料的基本单元,它可以包裹起来形成零维的富勒烯,卷起来形成一维的碳纳米管,层层堆积形成三维的石墨。石墨烯是一种没有能隙的半导体,具有比硅高100倍的载流子迁移率(2×10cm/v),在室温下具有微米级自由程和大的相干长度,因此石墨烯是纳米电路的理想材料。石墨烯具有良好的导热性[3000W/(m·K)]、高强度(110GPa)和超大的比表面积(2630m/g)。这些优异的性能使得石墨烯在纳米电子器件、气体传感器、能量存储及复合材料等领域有光明的应用前景。
经研究发现,合成石墨烯的方法已有很多,例如微机械剥离、化学气相沉积、氧化还原,以及最新溶剂剥离和溶剂热法,其中氧化还原法以其简单和多元化的工艺,成为制备石墨烯及功能化石墨烯的最佳方法。近年来的研究表明,石墨烯的功能化解决了石墨烯自身难加工的特性,开拓了石墨烯的应用领域,使其具有许多优异的力学、热学、电学和化学性能,引起了整个科学界的关注,取得了重大成果。本文着重介绍了几种制备石墨烯方法的优缺点并总结了这些方法的实质,为规模化制备高质量石墨烯提出了新思路,并引用了大量最新的参考文献介绍石墨烯的功能化和近期应用概况。
1石墨烯的制备
1．1微机械剥离法
2004年,Geim等首次用微机械剥离法,成功地从高定向热裂解石墨(highlyorientedpyrolyticgraphite)上剥离并观测到单层石墨烯。Geim研究组利用这一方法成功制备了准二维石墨烯并观测到其形貌,揭示了石墨烯二维晶体结构存在的原因。2007年Meyer等发现单层石墨烯表面有一定高度的褶皱,单层石墨烯表面褶皱程度明显大于双层石墨烯,且随着石墨烯层数的增加褶皱程度越来越小。从热力学的角度来看,这可能是由于单层石墨烯为降低其表面能,由二维向三维形貌转换,进而可推测石墨烯表面的褶皱可能是二维石墨烯存在的必要条件,石墨烯表面的褶皱对其性能的影响有待科学家进一步探索。微机械剥离法可以制备出高质量石墨烯,但存在产率低和成本高的不足,不满足工业化和规模化生产要求,目前只能作为实验室小规模制备。
1.2化学气相沉积法
化学气相沉积法(ChemicalVaporDeposition,CVD)首次在规模化制备石墨烯的问题方面有了新的突破。CVD法是指反应物质在气态条件下发生化学反应,生成固态物质沉积在加热的固态基体表面,进而制得固体材料的工艺技术。
目前有麻省理工学院的Kong等、韩国成均馆大学的Hong等和普渡大学的Chen等,3个独立的研究组在利用CVD法制备石墨烯。他们使用的是一种以镍为基片的管状简易沉积炉,通入含碳气体,例如,碳氢化合物,它在高温下分解成碳原子沉积在镍的表面,形成石墨烯,通过轻微的化学刻蚀,使石墨烯薄膜和镍片分离得到石墨烯薄膜。这种薄膜在透光率为80%时电导率即可达到1.1×10的六次方S/m,成为目前透明导电薄膜的潜在替代品。用CVD法可以制备出高质量大面积的石墨烯,但是理想的基片材料单晶镍的价格太昂贵,这可能是影响石墨烯工业化生产的重要因素。CVD法可以满足规模化制备高质量石墨烯的要求,但成本较高,工艺复杂。
氧化-还原法
目前,氧化-还原法以其低廉的成本且容易实现规模化的优势成为制备石墨烯的最佳方法,而且可以制备稳定的石墨烯悬浮液,解决了石墨烯不易分散的问题。氧化-还原法是指将天然石墨与强酸和强氧化性物质反应生成氧化石墨(GO),经过超声分散制备成氧化石墨烯(单层氧化石墨),加入还原剂去除氧化石墨表面的含氧基团,如羧基、环氧基和羟基,得到石墨烯。
氧化-还原法被提出后,以其简单易行的工艺成为实验室制备石墨烯的最简便的方法,得到广大石墨烯研究者的青睐。Ruoff等发现通过加入化学物质例如二甲肼、对苯二酚、硼氢化钠(NaBH4)和液肼等除去氧化石墨烯的含氧基团,就能得到石墨烯。氧化