石墨烯的制备和应用
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关 键词 ： 石 墨烯 ； 制备 ； 应 用
２ 制 备 方 法
这几 年石墨 烯 的制 备 方 法 不 断被 改 进 ， 以便 能 制 备 出层数 可控 、 大面积、 高 质量 、 低 成本 的石 墨烯 。 目 前 主要使 用 的方 法有 剥离 法 、 化 学气 相沉 积法 、 还 原 氧 化石 墨 法 、 外延 生长法、 溶液合 成法 、 刨 开 纳 米 管 法
中图分 类号 ： ＴＱ ３ ２ ３
文献 标识 码 ： Ａ
等 ］ ， 其各 有优 缺点 。
２ ． １ 剥 离 法
Ｄ ＯＩ ： １ ０ ． ３百度文库９ ６ ９ ／ ｊ ． ｉ ｓ ｓ ｎ ． １ ０ ０ １ — ９ ７ ３ １ ． ２ ０ １ ３ ． ２ １ ． ０ ０ ２
１ 引 言
锨
文章 编号 ： １ ０ ０ １ — ９ ７ ３ １ （ ２ ０ １ ３ ） ２ １ — ３ ０ ６ ０ — ０ ５
材
料
２ ０ １ ３ 年第 ２ ｉ 期（ ４ ４ ） 卷
石 墨 烯 的制 备 和 应 用
朱振 峰 ， 程 莎 ， 董 晓 楠
（ 陕西科 技大学 材 料科 学与工 程学 院 ， 陕西 西安 ７ １ ０ ０ ２ １ ） 摘 要 ： 石 墨 烯 因具 有 优 良的 电 学、 热 学和 机 械 性
石 墨烯 是一种 由单 层碳 原子 ｓ Ｐ 杂 化堆积 成 的具
有 二维 蜂窝 状 晶体 结构 的碳 质材 料＿ 】 ］ 。理 想 的石 墨烯
从堆 积 的石墨 中剥离 获得 石墨 烯 ， 工 艺 简单 、 制 作 成 本低 ， 是最 经济 的方式 。主要 的剥 离 法有 机 械剥 离 、
超 声处理 将溶 液 中的石墨 晶体 剥离切 割 成石 墨烯 纳 米 片， 然后 通过溶 剂 的相互 作 用 或 吸 附 表 面活 性 剂 使 其 稳定， 最 后 制 备 出无 缺 陷 和 无 氧 化 的石 墨 烯 。 同 年 ， Ｐ ａ ｒ ｋ ＿ 】 ］ 以剥 离 法 为 基 础 ， 结 合 石 墨 烯 插层 法 ， 在 降 低 实 验条件 的情 况 下 ， 制 备 出 的高 质 量石 墨烯 电阻 约 为 ９ ３ ０ ｋ ￣／ ｓ ｑ ， 透光率 约 为 ７ ５ ， 导电率约为 ９ １ ０ ０ ０ Ｓ ／ ｍ。 且 不需 要任 何功 能化 和表面 活性剂 能稳 定地 分 散 在无
掀起 了石 墨烯 的研 究 高潮 。获得 低成 本 、 大面积 、 高质 量 的石 墨烯 ， 并将 其 用 于 实 际生 产 是研 究人 员奋 斗 的 目标 。主要 对近 几年 一 些改进 的或新 的 石墨 烯 的制备 方 法 以及 其 主要 的 潜在 应 用做 了综 述 ， 从 中可 以看 到 石 墨烯 的 巨大发展 潜 力 。
１ ＴＰ ａ ， 强 度约 为 １ ３ ０ ＧＰ ａ ， 热导率为 ３ ０ ８ ０ ～５ １ ５ Ｏ ｗ／ （ ｍ
・
个 有效 的方 法来 获得高 质量 、 低成 本 、 可扩 展 生产 的
石 墨烯 。２ ０ １ ２年 ， Ｃ ｏ ｌ ｅ ｍａ ｎ ［ １ 。 。 使 用溶剂剥 离法 ， 通 过
烯 良好 的导 电性 。
剥离 出石 墨 烯 层 ， 转 移 到 载 体 表 面 获 得 石 墨 烯 。Ｎｏ —
ｖ ｏ ｓ ｅ ｌ ｏ ｖ等 。 。 就是 用 透 明胶 带 反 复剥 离 高 定 向热 解 石
墨获得 石墨 烯 的 。高定 向热 解 石 墨 内部 缺 陷 较 少 ， 所 得石 墨烯 质量较 好 ， 但 是偶 然 性 大 ， 可控性不强 ， 不 易 大规模 生 产 。Ｍｃ Ａｌ ｌ ｉ ｓ ｔ ｅ ｒ 等口 使 用热 膨胀 剥离 法制备 的功 能化 石墨烯 ， 经超 声处 理后 ， ８ ０ 是单 层 的 。２ ０ １ １ 年， ｓ ｕ等口 用一 种简 单快 速 的电化学 剥离 法从 石墨 中 剥离 出高 透射率 （ 约为 ９ ６ ） 的双 层 石 墨烯 ， 横 向尺寸 达到 ３ ０ ／ ￣ ｍ。其 样 品经 ＨＮＯ。 处 理后 ， 电阻＜ ｌ ｋ ￣／ ｓ ｑ 。 图 １为 ｓ ｕ等 的电化 学 剥 离 石 墨 图 。这 项 工 作 提 供 了
电化学 剥离 、 热膨 胀剥 离 和溶 剂 剥 离法 等 口 。其 中机
械剥离 法最 为常用 ， 通过 外力 的作用 ， 从 石 墨 晶体表 面
结 构是 平面 六边 形 点 阵 ， 每 个碳 原 子 都 与 ３个 相 邻 的 碳 原子 之 间形成 ３ 个 连接 十分 牢 固 的 ａ键 ， 剩 余 的一 个 Ｐ电子在 垂直 石 墨烯 平 面 的方 向上 ， 与 周 围原 子形 成 贯 穿全层 的大 兀键 ， 此 电子可 以 自由移 动 ， 赋予 石墨
能， 以及 高透 光率和 超 大比表 面积等 而备 受人 们 关 注 。
这些都 使得 石墨 烯在纳 米 复合材料 、 高速 晶体管 、 灵 敏 传感器 、 超 级 电容 器 、 太 阳能电池等 方面 具有 很 大潜 在
应用 。
尤其 是 ２ ０ ０ ４年 稳定 存在 的石 墨烯被 成功 地 获得 ， 更是
一
虽然石 墨烯 的理 论研究 已经进行 了 ６ ０多年 ， 但 之 前 科 学界普 遍认 为 ， 热力 学 不 稳定 性 使 得 任何 二 维 晶 体在 一定 温度下 都不 能稳定 存 在 ＿ ２ ］ 。直 到 ２ ０ ０ ４年 ， 英 国曼 彻斯 特 大 学 Ｇｅ ｉ ｍ 和 Ｎｏ ｖ ｏ ｓ ｅ ｌ ｏ ｖ ＿ ３ 用 胶 带 反 复 剥 离高 定 向热解 石 墨 的方 法 得 到 了稳 定 存 在 的石 墨烯 ， 石 墨烯才 又一 次引起 了人 们 的关注 。 石 墨烯 因其独 特 的 二 维 晶体 结 构 ， 具 有 很 多 优 异 的性 能 。其超 大 的 比表 面积 ， 理 论值 为 ２ ６ ３ ０ ｍ。 ／ ｇ ＿ ４ ； 哥伦 比亚 大学 的研究 人员 测得 单层 石墨 烯 弹性模 量 约
２ 制 备 方 法
这几 年石墨 烯 的制 备 方 法 不 断被 改 进 ， 以便 能 制 备 出层数 可控 、 大面积、 高 质量 、 低 成本 的石 墨烯 。 目 前 主要使 用 的方 法有 剥离 法 、 化 学气 相沉 积法 、 还 原 氧 化石 墨 法 、 外延 生长法、 溶液合 成法 、 刨 开 纳 米 管 法
中图分 类号 ： ＴＱ ３ ２ ３
文献 标识 码 ： Ａ
等 ］ ， 其各 有优 缺点 。
２ ． １ 剥 离 法
Ｄ ＯＩ ： １ ０ ． ３百度文库９ ６ ９ ／ ｊ ． ｉ ｓ ｓ ｎ ． １ ０ ０ １ — ９ ７ ３ １ ． ２ ０ １ ３ ． ２ １ ． ０ ０ ２
１ 引 言
锨
文章 编号 ： １ ０ ０ １ — ９ ７ ３ １ （ ２ ０ １ ３ ） ２ １ — ３ ０ ６ ０ — ０ ５
材
料
２ ０ １ ３ 年第 ２ ｉ 期（ ４ ４ ） 卷
石 墨 烯 的制 备 和 应 用
朱振 峰 ， 程 莎 ， 董 晓 楠
（ 陕西科 技大学 材 料科 学与工 程学 院 ， 陕西 西安 ７ １ ０ ０ ２ １ ） 摘 要 ： 石 墨 烯 因具 有 优 良的 电 学、 热 学和 机 械 性
石 墨烯 是一种 由单 层碳 原子 ｓ Ｐ 杂 化堆积 成 的具
有 二维 蜂窝 状 晶体 结构 的碳 质材 料＿ 】 ］ 。理 想 的石 墨烯
从堆 积 的石墨 中剥离 获得 石墨 烯 ， 工 艺 简单 、 制 作 成 本低 ， 是最 经济 的方式 。主要 的剥 离 法有 机 械剥 离 、
超 声处理 将溶 液 中的石墨 晶体 剥离切 割 成石 墨烯 纳 米 片， 然后 通过溶 剂 的相互 作 用 或 吸 附 表 面活 性 剂 使 其 稳定， 最 后 制 备 出无 缺 陷 和 无 氧 化 的石 墨 烯 。 同 年 ， Ｐ ａ ｒ ｋ ＿ 】 ］ 以剥 离 法 为 基 础 ， 结 合 石 墨 烯 插层 法 ， 在 降 低 实 验条件 的情 况 下 ， 制 备 出 的高 质 量石 墨烯 电阻 约 为 ９ ３ ０ ｋ ￣／ ｓ ｑ ， 透光率 约 为 ７ ５ ， 导电率约为 ９ １ ０ ０ ０ Ｓ ／ ｍ。 且 不需 要任 何功 能化 和表面 活性剂 能稳 定地 分 散 在无
掀起 了石 墨烯 的研 究 高潮 。获得 低成 本 、 大面积 、 高质 量 的石 墨烯 ， 并将 其 用 于 实 际生 产 是研 究人 员奋 斗 的 目标 。主要 对近 几年 一 些改进 的或新 的 石墨 烯 的制备 方 法 以及 其 主要 的 潜在 应 用做 了综 述 ， 从 中可 以看 到 石 墨烯 的 巨大发展 潜 力 。
１ ＴＰ ａ ， 强 度约 为 １ ３ ０ ＧＰ ａ ， 热导率为 ３ ０ ８ ０ ～５ １ ５ Ｏ ｗ／ （ ｍ
・
个 有效 的方 法来 获得高 质量 、 低成 本 、 可扩 展 生产 的
石 墨烯 。２ ０ １ ２年 ， Ｃ ｏ ｌ ｅ ｍａ ｎ ［ １ 。 。 使 用溶剂剥 离法 ， 通 过
烯 良好 的导 电性 。
剥离 出石 墨 烯 层 ， 转 移 到 载 体 表 面 获 得 石 墨 烯 。Ｎｏ —
ｖ ｏ ｓ ｅ ｌ ｏ ｖ等 。 。 就是 用 透 明胶 带 反 复剥 离 高 定 向热 解 石
墨获得 石墨 烯 的 。高定 向热 解 石 墨 内部 缺 陷 较 少 ， 所 得石 墨烯 质量较 好 ， 但 是偶 然 性 大 ， 可控性不强 ， 不 易 大规模 生 产 。Ｍｃ Ａｌ ｌ ｉ ｓ ｔ ｅ ｒ 等口 使 用热 膨胀 剥离 法制备 的功 能化 石墨烯 ， 经超 声处 理后 ， ８ ０ 是单 层 的 。２ ０ １ １ 年， ｓ ｕ等口 用一 种简 单快 速 的电化学 剥离 法从 石墨 中 剥离 出高 透射率 （ 约为 ９ ６ ） 的双 层 石 墨烯 ， 横 向尺寸 达到 ３ ０ ／ ￣ ｍ。其 样 品经 ＨＮＯ。 处 理后 ， 电阻＜ ｌ ｋ ￣／ ｓ ｑ 。 图 １为 ｓ ｕ等 的电化 学 剥 离 石 墨 图 。这 项 工 作 提 供 了
电化学 剥离 、 热膨 胀剥 离 和溶 剂 剥 离法 等 口 。其 中机
械剥离 法最 为常用 ， 通过 外力 的作用 ， 从 石 墨 晶体表 面
结 构是 平面 六边 形 点 阵 ， 每 个碳 原 子 都 与 ３个 相 邻 的 碳 原子 之 间形成 ３ 个 连接 十分 牢 固 的 ａ键 ， 剩 余 的一 个 Ｐ电子在 垂直 石 墨烯 平 面 的方 向上 ， 与 周 围原 子形 成 贯 穿全层 的大 兀键 ， 此 电子可 以 自由移 动 ， 赋予 石墨
能， 以及 高透 光率和 超 大比表 面积等 而备 受人 们 关 注 。
这些都 使得 石墨 烯在纳 米 复合材料 、 高速 晶体管 、 灵 敏 传感器 、 超 级 电容 器 、 太 阳能电池等 方面 具有 很 大潜 在
应用 。
尤其 是 ２ ０ ０ ４年 稳定 存在 的石 墨烯被 成功 地 获得 ， 更是
一
虽然石 墨烯 的理 论研究 已经进行 了 ６ ０多年 ， 但 之 前 科 学界普 遍认 为 ， 热力 学 不 稳定 性 使 得 任何 二 维 晶 体在 一定 温度下 都不 能稳定 存 在 ＿ ２ ］ 。直 到 ２ ０ ０ ４年 ， 英 国曼 彻斯 特 大 学 Ｇｅ ｉ ｍ 和 Ｎｏ ｖ ｏ ｓ ｅ ｌ ｏ ｖ ＿ ３ 用 胶 带 反 复 剥 离高 定 向热解 石 墨 的方 法 得 到 了稳 定 存 在 的石 墨烯 ， 石 墨烯才 又一 次引起 了人 们 的关注 。 石 墨烯 因其独 特 的 二 维 晶体 结 构 ， 具 有 很 多 优 异 的性 能 。其超 大 的 比表 面积 ， 理 论值 为 ２ ６ ３ ０ ｍ。 ／ ｇ ＿ ４ ； 哥伦 比亚 大学 的研究 人员 测得 单层 石墨 烯 弹性模 量 约