纳米材料 石墨烯介绍

储氢量可达到6.1% （质量分数） 储氢量约为8.4% （质量分数）
复合材料
薄层石墨烯-聚苯乙烯纳米复合材料 石墨烯-环氧树脂纳米材料
超高效太阳能电池
铟锡氧化物 （ITO） 的替代材料
传感器
化学传感器和生物传感器
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在石墨烯的研究与应用中仍然存在很多挑战：
如何大规模制备高质量石墨烯。
石墨烯的很多性质尚不清楚，如电子性能，磁性等。 探索石墨烯新的应用领域，目前最有前景的应用有晶体管、太阳 能电池和传感器等，不同的应用领域对石墨烯的要求也不同。 开拓石墨烯和其它学科的交叉领域，探索石墨烯功能化的新性能。
微机械剥离法：
Geim等于2004 年用一种极为简单的方法-微机械剥离法成功地从高定 向热解石墨上剥离并观测到单层石墨烯。 所谓机械剥离法，就是通过对石墨晶体施加机械力( 摩擦力 拉力等) 将石墨烯或石墨烯纳米片层从石墨晶体中分离出来的方法。计算结果表明， 在石墨晶体中相邻两层石墨烯之间的范德华作用能约为2 eVnm －2，因此石 墨片层很容易在机械力的作用下剥离。 新的机械剥离法的出现
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COTENT
1.石墨烯简介
ห้องสมุดไป่ตู้
2.石墨烯的制备工艺
3.石墨烯的表征
4.石墨烯的应用与前景
石墨烯
石墨层间化合物途径：
石墨插层复合物
这种化合物不仅保留 了石墨的优良性质， 同时也拥有一些新的 物理及化学性质，例 如可与金属比拟的导 电性质。
此结构是石墨插层纳米复合材料的特征结 构：G为碳层, I为插入层,插层间的碳层 数n称为阶。阶数越小，说明插层越充分 。插层物质可以引起石墨层间距离增大和 削弱层间力的作用，其中1阶石墨插层复 合物引起了研究人员的极大兴趣，为制备 单层石墨片提供了可能的路线。
化学性质：
我们至今关于石墨烯化学性质知道的是：类似石墨表面，石 墨烯可以吸附和脱附各种原子和分子。从表面化学的角度来看， 石墨烯的性质类似于石墨，可利用石墨来推测石墨烯的性质。石 墨烯化学可能有许多潜在的应用，然而要石墨烯的化学性质得到 广泛关注有一个不得不克服的障碍：缺乏适用于传统化学方法的 样品。这一点未得到解决，研究石墨烯化学性质将面临重重困难 。
行星球磨的外观 及研磨过程
化学气相沉积法 ：
化学气相沉积法提供了一条有效的途径来可控地合成和制备石墨烯薄膜。 以金属单晶或金属薄膜为衬底，在其表面上暴露并高温分解含碳化合物可以 生成石墨烯结构，通过衬底的选择、生长的温度、前驱物的暴露量等生长参 数能够对石墨烯的生长进行调控。 eg： 在多晶Ni薄膜上外延生长石墨烯，并将石墨烯的尺寸增加到厘米量级。
还原氧化石墨法：
氧化石墨由于其层间含有大量的官能 团(如图)，容易与一些化学物质发生 反应，得到改性石墨。氧化石墨经过 适当的超声波震荡处理极易在水溶液 或者有机溶剂中分散成均匀的单层氧 化石墨烯溶液，从而进一步制备单层 石墨烯。
氧化石墨结构示意图
利用电化学还原氧化石墨制备得到石墨烯。实验表明氧 溶剂热还原法还原氧化石墨:将氧化石墨分散于水、乙醇、 化石墨上的含氧官能团被彻底地移除，这种方法得到的 将氧化石墨在30 s内快速升温，发生热剥落得到石墨烯。 1-丁醇、乙二醇等溶剂中，在不同温度及不同反应时间下 石墨烯量大，无杂质，电性能高，导电率比溶剂热还原 进行溶剂热还原反应，得到了一系列石墨烯产物。 法提高了一个数量级 。
石墨烯纳米材料
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1.石墨烯简介
2.石墨烯的制备工艺
3.石墨烯的表征
4.石墨烯的应用与前景
2004年英国曼彻斯特大学的物理 学教授Geim 等发现了由碳原子以 sp2杂化连接的单原子层构成的新 型二维原子晶体——石墨烯
发现
性质
结构
石墨烯是碳原子紧密堆积成单层二维蜂窝状晶格结构的二维材 料，这种石墨晶体薄膜的厚度只有0.335 nm，仅为头发的20万分之 一，其特殊结构蕴含了很多新奇的物理现象。它可以翘曲成零维 (0D)的富勒烯(fullerene),卷成一维(1D)的碳纳米管(carbon nano-tube, CNT)或者堆垛成三维(3D)的石墨(graphite), 因此石 墨烯是构成其他石墨材料的基本单元。
相关的研究表明所选的金属衬底并不仅仅局限于Ni多晶薄膜，也可获 得主要为单层结构的石墨烯薄膜。由此可见，选择合适的金属衬底和反应 条件能够控制合成大面积、高质量的石墨烯薄膜。
加热SiC法：
该法是通过加热单晶6H· SiC脱除Si，在单晶面上分解出石墨烯片 层。先将6H· SiC经氧气或氢气刻蚀处理，在高真空下通过电子轰击加 热除去表面的氧化物。用俄歇电子能谱检测表面的氧化物是否完全除 尽，完全除尽后将样品加热升温至1 250-1 450 ℃后恒温1-20 min， 从而得到很薄的石墨层。
搅拌球磨的外观 及研磨过程
微机械剥离法：
Geim等于2004 年用一种极为简单的方法-微机械剥离法成功地从高定 向热解石墨上剥离并观测到单层石墨烯。 所谓机械剥离法，就是通过对石墨晶体施加机械力( 摩擦力 拉力等) 将石墨烯或石墨烯纳米片层从石墨晶体中分离出来的方法 计算结果表明， 在石墨晶体中相邻两层石墨烯之间的范德华作用能约为2 eVnm －2，因此石 墨片层很容易在机械力的作用下剥离。 新的机械剥离法的出现
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导电性
硬度
量子 效应
化学 性质
导电性：
由于石墨烯中有电子的自由移动，使石墨 烯具有良好的导电性能，其电子在轨道中 移动时，不会因为晶格缺陷或引入外来原 子而发生散射。石墨烯作为碳单质的一个 最大特性就是在室温条件下传递电子的速 度比目前所有的导电材料快，是由于石墨 烯中电子的运动速度比一般的导电材料快 很多。 石墨烯最大的特性——其 中电子的运动速度达到了 光速的1/300，远远超过 了电子在一般导体中的运 动速度。
Raman光谱
单层石墨烯附着在表面覆盖着一定厚 度( 300nm) 的 SiO2 层 Si晶片上, 在光学显微镜下便可以观测到。利用 光学显微镜观测石墨烯，使得石墨烯 得到进一步精确表征成为可能。
（a）石墨块体和石墨烯的 514nm拉曼光谱的比较。他们 的比例缩放成在~2700cm-1的 2D峰有相近的高度。
（b）层数变化514nm拉曼光 谱的变化。（c）层数变化 633nm拉曼光谱的变化。
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2.石墨烯的制备工艺
3.石墨烯的表征
4.石墨烯的应用与前景
石墨烯的应用范围很广，由于是世界上强度最高的物质，石墨烯不仅可 以用来开发制造出纸片般薄的超轻飞机材料、制造出超坚韧的防弹衣，甚至 可能让太空电梯成为现实。
石墨烯是目前已知的导电性能最出色的材料，所以在纳米电子器件方 面，石墨烯的应用包括：电子工程领域极具吸引力的高温弹道场效应管；用 来进一步减小器件开关时间，超高频率的操作响应特性；探索单电子器件； 在同一片石墨烯上集成整个电路。
石墨烯纳米带
其他潜在的应用包括：
储氢材料
石墨烯柱 Ca原子掺杂石墨烯
量子效应：
在石墨烯的电学性能研究中发现了多种新奇的物理现象，包 括新型的量子霍耳效应，零载流子浓度极限下的最小量子电导率 ，量子干涉效应的强烈抑制等。石墨烯表现出异常的整数量子霍 耳行为，其霍耳电导=2e2/h，6e2/h，10e2/h等等，为量子电导 的奇数倍，且可以在室温下观测到。这个行为已被科学家解释为 “电子在石墨烯里遵守相对论量子力学，没有静质量”。
臼式研磨仪的外观 及研磨过程
微机械剥离法：
Geim等于2004 年用一种极为简单的方法-微机械剥离法成功地从高定 向热解石墨上剥离并观测到单层石墨烯。 所谓机械剥离法，就是通过对石墨晶体施加机械力( 摩擦力 拉力等) 将石墨烯或石墨烯纳米片层从石墨晶体中分离出来的方法 计算结果表明， 在石墨晶体中相邻两层石墨烯之间的范德华作用能约为2 eVnm －2，因此石 墨片层很容易在机械力的作用下剥离。 新的机械剥离法的出现
石墨烯中各碳原子之间的连接非常柔韧，当施加外部机械力时，碳原子面 就弯曲变形，从而使碳原子不必重新排列来适应外力，也就保持了结构稳 定。这种稳定的晶格结构使碳原子具有优秀的导电性。由于原子间作用力 十分强，在常温下，即使周围碳原子发生挤撞，石墨烯中电子受到的干扰 也非常小。
硬度：
美国科学家首次证实了人们长久以来的怀疑，石墨烯竟是目前世界上已知的 强度最高的材料！ 石墨烯比钻石还强硬，它的强度比世界上最好的钢铁还高100倍！ 美国机械工程师杰弗雷· 基萨教授用一种形象的方法解释了石墨烯的强度：如果 将一张和食品保鲜膜一样薄的石墨烯薄片覆盖在一只杯子上，然后试图用一支 铅笔戳穿它，那么需要一头大象站在铅笔上，才能戳穿只有保鲜膜厚度的石墨 烯薄层。
其他方法：
电化学方法
电弧法
有机合成法
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1.石墨烯简介
2.石墨烯的制备工艺
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4.石墨烯的应用与前景
原子力显微镜 目前表征石墨烯的有效手段主要有 光学显微镜
Raman光谱
原子力显微镜是表征石墨烯材料的最 直接有效的手段。
原子力显微镜 目前表征石墨烯的有效手段主要有 光学显微镜