石墨烯的制备与应用

石墨烯的制备与应用

2012级化工2班朱立帅摘要石墨烯的发现使热力学涨落不允许任何二维晶体在有限温度下存在的理论被重新探讨。其稳定的晶格结构使碳原子具有优秀的材料性质。本文从石墨烯的结构、特性、制备及应用前景等方面加以阐述。

关键词石墨烯；二维晶体；最薄；光学性能；

石墨煤(graphene,简称GE),作为单层的石墨结构,是目前世界上最薄却最强的材料。由于具备超高的力学性能、吸附性和导热、导电性等物理化学性能,石墨烯在材料科学与工程领域中的应用渗透到各个方面。本文主要对石墨烯的几种制备方法以及应用前景做一个简单综述。

2004年,英国曼切斯特大学科学家AndreGeim和KonstantinNovosetov,通过胶带反复剥离石墨片的方法,成功的分离出仅有一个原子层厚度的石墨单片一一石墨稀,打破了二维晶体由于热动力学不稳定而不存在的设想。两人也因此共同获得2010年诺贝尔物理学奖。近二十年来,科学家们对石墨炼产生极大的兴趣并围绕石墨炼展了广泛地研究,石墨炼在各个领域也得以应用。类似的发现引起了一股研宄石墨稀及其它二维材料的热潮,如氮化硼(BN)丨6],硫化销(MoS2) 17]等

1 石墨烯的结构与性能

石墨烯是由碳原子紧密结合,以六元环形式组成的片层材料。

(1)机械性能

单层的石墨稀虽然仅有一个原子层厚度,却是人们测量的所有材料中强度最高的材料。

(2)热学性能

炼室温下的热导率为5300 W/mK,优于碳纳米管(3500 W/mK)。石墨稀高的导热系数也进一步支持其在新电子器件中得到应用,有望成为未来超大规模纳米集成电路的散热材料[11-12]。

(3)其他性能

石墨稀为二维片状材料,且仅有单个原子层厚度,因此其具有很高的比表面积,理论值高达2630 mVg。类似于石墨表面,石墨稀可以吸附和脱附各种原子和分子。因此,石墨在废水、重金属离子和有机污染物的处理等方面具有潜在的应用价值[18_19]。

2 石墨烯的制备方法

(1)机械剥离法

机械剥离是将块状石墨分割成单原子片层的过程。在“透明胶带法”未发明之前,人们是观察不到分离的单层材料的自从首次利用微机械分离方法制备出石墨炼以来,该方法被广泛应用于制备高质量的石墨稀。

(2)氧化石墨炼(Graphene oxide, GO)还原法

制备石墨炼最广泛应用的方法是还原GO的方法。GO通常是将天然石墨粉在酸性介质下,利用强氧化剂氧化剥离而成,常用的方法有三种:Brodie法,Staudenmeier法和Hummers法。其中,改性Hummers法己经成为生产GO最普遍的方法,此法制备时间较短且无毒性副产物127_28]。

(3)化学气相沉积

化学气相沉积(Chemical vapor deposition,CVD)法是大规模生产单层或多层石墨炼最有效的技术之一。一般在高温下,通过将碳氢先驱体(例如甲院)裂解,可以在单晶和多晶过渡金属的表面生长出晶片尺寸大小的石墨烯薄膜【⑷。石墨烯的层数主要取决于碳在金属基体中的溶解性。

3 石墨烯的应用

石墨烯具有最薄、强度最高、优秀的导热导电性及高的光透过性。这些优点使其在材料领域，特别是透明导电薄膜的应用中独具优势，这类薄膜在光伏电池及液晶显示屏等方面尤为重要。另外，高效储能器件和高敏传感器等方面，石墨烯也展示出很好的应用前景。它的研究给科学领域提供了一个无限广阔和充满魅力的材料空间。

（1）制作透明电极及光学元件

已商业化规模生产的透明薄膜材料是氧化铟锡，因铟是稀有金属，制备层沉积需要严格的真空条件，特别是毒性大，其他的取代物亟待被寻找。作为纳米材料界的新星，石墨烯以其厚度最薄、比表面积大、超强的柔韧度，能够在低密度的情况下形成导电网格的特点被作为氧化铟锡最完美的替代材料。其制备成本低、工艺简单，高强度及柔韧性可在

纳米尺度内按要求塑形。将石墨烯卷成管状或球形碳纳米管，将在多种领域有重要的应用。无缺陷的石墨烯几乎是透明的，透光率大于97%。用其制作光学器件，可使制备成本大幅度降低。

（2）超级电容器

石墨烯比多孔碳材料拥有更高的比表面积和电导率。用其制作的电容器，功能远超化学电容。石墨烯电容器质量小、储能大、充电迅速、反复上万次充放电不影响其使用性能，高压下也能稳定放电。与一维纳米材料相比，石墨烯基电子器件可以将整个电路：电极、势垒、分子开关集成在同一片层结构上。制作成本低、功耗小。将为超级计算机技术、高分辨率成像、军事雷达、高频宽带通信领域开辟新的途径。

（3）复合材料

石墨烯拥有独特的机械和电学性能，在纳米增强材料方面有许多新应用。作为添加剂使用，可显著改善聚合物的导电、导热及力学性质。例如制造功能性复合材料，高分子导电材料和高强度多孔陶瓷等。另外，将半导体或金属纳米粒子与纳米级石墨烯层片进行表面制备，可丰富石墨烯的层间结构，减少片层之间的相互作用，阻断团聚，以更好的保持各片层的独立机能，并产生新的协同效应，使性能更稳定。

5 结论与展望

随着石墨烯研究的不断深入，其应用将会有一个广阔的前景。在化工行业、电子行业、建筑行业、材料行业等都会有很大的发展前景。石墨烯的应用将会是我们生活的一场巨大变革。如果真的有那么一天，我们的生活肯定会因为这种材料发生翻天覆地的变化，二者需要我们对石墨烯更加深入的研究。

参考文献：

[ 1 ]Geim A K,Novoselov K S. Hie rise of graphene. Nat Mater. 2007,6:183-191

[ 2 ]张玲、韩晓芳、胡彦杰、杨晓玲基于石墨烯的纳米复合材料的制备2014-4-16

TB34

[ 3 ]郑小青冯苗詹红兵石墨烯纳米带0613.71 ; TB383

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