新型功能材料--石墨烯的制备及应用研究进展

新型功能材料--石墨烯的制备及应用研究进展

摘要:石墨烯因其独特的结构和优异的性能, 近年来已成为国内外研究的热点。本文综述了石墨烯的结构、重要的制备方法包括剥离法、化学气相沉积法、SiC外延生长法、氧化石墨烯还原法等，以及其在电子器件、电容器、场发射、复合材料、储能等领域应用的研究进展。探讨了石墨烯真正走向应用领域需要解决的问题。最后评述了石墨烯纳米材料研究的发展趋势和应用前景。

关键词：石墨烯，制备，应用，复合材料

Novel functional materials - Study progress of preparation and applications of graphene

Abstract Graphene has a unique structure andexcellent performance, and become a hot topic at home and abroad in recent years.T his article reviews the graphene structures, important preparation methods including stripping method, chemical vapor deposition, SiC epitaxial growth method, graphene oxide reduction process ect., and the reseach progress of its applications for electronic devices, condensers, field emission, composites, energy storage, etc..The problems in the fields of applications needed to be solved are proposed. In the end, the research developing trends and application prospect of graphene nanomaterials are commented.

Keywords graphene; preparation; application; composite materials

1 引言

石墨烯( graphene，GE )是一种由sp2杂化的碳原子以六边形排列形

成的周期性蜂窝状二维碳质新材料，其厚度只有0.335nm ( 图1)。2004年曼彻斯特大学物理学教授Geim等用胶带剥离石墨晶体首次获得了石墨烯。石墨烯是其他各种碳材料的基本结构单元，它可以翘曲成零维的富勒烯(fullerence)、卷曲成一维的碳纳米管(carbon nanotube,CNT )、堆垛成三维的石墨晶体(graphite)(图2)。最近已经有将碳纳米管解开(unzip)制成石墨烯［1,2］和用石墨烯合成碳纳米管、富勒烯[3]的相关报道。

图1 石墨烯结构示意图

Fig. 1 Basic structure of graphene

石墨烯表现出许多优异的性质，例如石墨烯是世界上最坚固的材料(杨氏模量1.7TPa),理论比表面积高达2630m2/g，具有良好的导热性(5000W/(m.k))和室温下高速的电子迁移率(200000cm2/(V.s))。同时，其独特的结构使其具有完美的量子霍尔效应独特的量子隧道效应双极电场效应等特殊的性质[4-5]。

图2 石墨烯是构筑其他维数碳质材料的基本单元

Fig.2 Graphene is a 2D building unit for carbon materials of all other dimensionalities

由于石墨烯优异的性能，极大的比表面积和较低的生产成本( 相对于碳纳米管),非常适合于开发高性能的复合材料。石墨烯各碳原子之间的连接非常柔韧，当施加外部机械力时，碳原子面就会弯曲变形来适应外力，而不必使碳原子重新排列，这样就保持了结构的稳定。石墨烯中的电子在轨道中运动时，不会因晶格缺陷或掺杂原子而发生散射。由于原子间作用力较强，即使在常温下周围碳原子间发生挤撞，石墨烯中电子受到的干扰也非常小。石墨烯是一种新型的、最薄的、结构稳定的碳纳米材料，其性质与结构和形貌密切相关，其制备方法又决定了石墨烯的结构和形貌。本文综述了石墨烯的制备方法、结构、以及应用研究进展，探讨了该研究领域亟待解决的问题以及发展方

向。

2 制备

2.1剥离法

剥离法分为机械和化学剥离两种。机械剥离法就是利用机械力，将石墨烯片从具有高度取向热解石墨晶体表面剥离开来。2010 年诺贝尔物理学奖得主 Novoselov和Geim等[6]就是采用此法制备石墨烯并确认其存在的。Kalugin等[7]采用机械剥离法制得Ω型石墨烯纳米线。该石墨烯纳米线的直径在8~35 nm 。

化学剥离法是首先用强氧化剂将石墨氧化成氧化石墨，层边缘的大量官能团可使石墨层间距变大，因此氧化石墨经过适当的超声震荡处理极易在水溶液或者有机溶剂中分散成单或几层氧化石墨烯，然后经过还原处理制得石墨烯。常用的氧化剂包括KMnO4、浓HNO3以及KClO3等；还原剂有水合肼、二甲肼、对苯二酚、烷基锂和NaBH4等。Lu等[8]将石墨和高定向裂解石墨作为阳极，Pt作为阴极，并将两者浸没在离子液体中电化学剥离石墨制得带荧光的石墨烯纳米带。Si 等[9]使用NaBH4将氧化石墨的部分含氧官能团还原，然后将其磺化，再用水合肼还原剩余的含氧官能团，最后将得到的含有少量的磺酸基的石墨分散在pH值为3~10的水溶液中得到石墨烯。该石墨烯中含有少量的含氧官能团，其原料中大部分含氧官能团在实验中被还原，电导率为1 250 S/m。Choi等[10]采用石墨为原料，将有机分子通过共价键结合在石墨的边缘，然后将边缘官能化的石墨分散在 N-甲基-2-

吡咯烷酮中，最后将其剥离制得石墨烯薄片。