石墨烯合成及应用研究进展

2017年2月

第32卷第4期渭南师范学院学报Journal of Weinan Normal University Feb．2017Vol．32No．4

【现代应用技术研究】

石墨烯合成及应用研究进展

党民团1，2，

麻小强1，2（1．渭南师范学院化学与材料学院，陕西渭南714099；2．陕西省煤基低碳醇工程研究中心，陕西渭南714099）

摘要：石墨烯具有特殊的化学结构及卓越的力、热、光、电等物理性能，在材料、电子器件、新能源等

新兴产业领域有着巨大的应用前景，其制备及应用均取得了令人鼓舞的研究进展。在简要综述石墨烯的结构与特异性能的基础上，重点综述了近年来石墨烯制备、应用研究及产业化的新进展，比较并分析了剥离法、化学气相沉积法、外延生长法、溶剂热法等现阶段几种主要石墨烯制备方法的特点，提出了未来我国石墨烯产业的发展建议。

关键词：石墨烯；制备；应用；进展

中图分类号：TB383

文献标志码：A 文章编号：1009－5128（2017）04－0016－06

收稿日期：2016－07－08基金项目：陕西省教育厅专项科研计划项目：微孔聚苯胺/石墨烯纳米复合材料对有害气体相应行的研究（14JK1257）；渭南师范学院特色学科建设项目：秦东化工、材料技术调查（14TSXK04）

作者简介：党民团（1962—），男，陕西富平人，

渭南师范学院化学与材料学院教授，主要从事化学教学及化学、材料方面的研究。

2004年，英国物理学家Geim 、Novoseiov 等首次成功采用机械剥离法从石墨中制得石墨烯，颠覆了物理学界“二维原子晶体不可能在有限温度下稳定存在”的传统思维定式，震撼了凝聚态物理界。石墨烯特殊稳定的二维结构和独特的力学、电学、光学、热学等理化性能迅速成为全球物理、化学、材料等众多学科

研究者高度关注的热点前沿研究领域［1］。石墨烯结构稳定、比表面大、导电性强、强度及韧性高；石墨烯

可塑性极大，可包裹成零维度的富勒烯，亦可卷曲成一维的碳纳米管或堆垛成三维石墨，是构建其他维数碳材料的基本单元。故被欧盟、美国等西方发达国家视为新兴战略性材料，投入大量人力、物力和财力抢占这一战略高地。历经10余年的研究，石墨烯的制备及其在能源、信息、材料等领域的研究均取得了令人鼓舞的研究进展，预示了其广阔的发展前景［2］。

1

石墨烯概述1．1

石墨烯的结构

图1石墨烯分子结构示意图石墨烯是由单层碳原子以sp 2杂化形式成键形成的具有蜂

窝状六边形结构的二维原子晶体，其结构如图1所示。

在石墨烯内，各碳原子间通过σ键相连，键角为120ʎ，键

长约为0．142nm ，这些σ键赋予了石墨烯极其优异的力学性

质和结构刚性；每个碳原子的一个未成键P 电子形成了与晶

体平面垂直、遍及晶体的大П键，赋予了石墨烯良好的导电

性［2－3］。

石墨烯是二维碳材料的统称。据六角形蜂巢结构的层数，

石墨烯分为单层石墨烯、双层石墨烯、少层石墨烯（3 10层）DOI:10.15924/ki.1009-5128.2017.04.003

2017年第4期党民团，麻小强：石墨烯合成及应用研究进展及多层或厚层石墨烯（厚度在10层以上、10nm 以下）。单层石墨烯的厚度为0．35nm ，是目前已知最轻薄

的材料。

1．2石墨烯的性质

石墨烯的特殊化学结构使之具有区别于常规材料的特异理化性能，在以下几方面表现得尤为突出。

（1）强导电性。石墨烯能隙为0，是目前已知最好的导电性材料［4］。由于它的二维平面结构，

使在晶格中移动的电子不会发生散射。同时，组成石墨烯的各碳原子间存在极强的相互作用力，使得电子在运动

的过程中几乎很难被其他因素所影响，电导率可达106S /m ，比铜或银更低，常温下其电子迁移率超过

15000cm 2/（V ·s ），具有超强导电性［4］。

（2）超强硬度与韧性。石墨烯是迄今为止世界上已知韧性最好、最坚硬的材料［5］，其硬度比以硬著

称的金刚石（莫氏硬度为10）还要高许多；它的韧性极好，断裂强度比最好的钢材还要高200倍，同时它又有很好的弹性，其抗拉强度为125GPa ，旨性模量为1．1TPa 。

（3）超大比表面积。单层石墨烯的厚度只有0．35nm （一个碳原子厚），由于其纳米级的超薄厚度，具

有超大的比表面积，在理想状态下，

单层石墨烯的比表面积可达2630m 2/g 之多，远高于同等条件下活性炭的比表面，具有良好的吸附性能。因此，石墨烯可用作气体储存材料，石墨烯与锂形成的多孔复合材料具有极强的储氢能力；用石墨烯制作的微传感器可探测单个原子或分子，可以用于制作高灵敏度的气体传感器。

（4）特异的导热性。石墨烯稳定的晶体结构使得它具有非常好的导热性能，有关实验测得，单层石墨烯的室温导热率为5300W /（m ·K ），禁带宽度几乎为0，远高于室温下金属铜的热导率400W /（m ·K ），也远优于碳纳米管和金刚石。与普通金属材料热胀冷缩的性质不同，石墨烯的热导率随温度的升高而降低。

（5）高透光率。单层石墨烯对可见光的吸收率约为2．3%［6］，97．7%的可见光能从中穿透，其对可见光

几乎是完全透明的。随着层数增加，可见光透过率按2．3%递减。石墨烯优良的光学性能决定了其在光学相关领域的潜在应用前景，石墨烯透明导电薄膜可制作敏化太阳能电池或液晶设备的窗口层电极；石墨烯表面经过改性后可作为电子受体应用于有机光电器件和超级电容器电极等。

2

石墨烯的制备方法2．1剥离法

剥离法是一种通过对堆积的石墨进行反复剥离从而获得石墨烯的一种方法。［7］主要包括机械剥离、

热膨胀剥离、电化学剥离和溶液剥离等。［8］其中最常用的是微机械剥离法，也是最早制备石墨烯的方法，

该剥离方法主要是在新鲜石墨晶体的表面使用机械力进行剥离得到石墨烯片层，然后将其转移到载体表

面进而获得石墨烯。Novoselov 等人［9］于2004年通过透明胶带对高定向热解石墨进行反复剥离的方法，

首次将石墨烯制备出来，填补了碳材料在二维晶体方面的空白，证实了石墨烯晶体能够单独存在的可能性。剥离法制备石墨烯的制备工艺操作简单，成本低廉，所得产品晶体结构完整，是一种简便经济的制备方法，对石墨烯的研究起到了极大的推动作用。但此法所制石墨烯产物层数与尺寸不可控、产率低，从而限制了该制备方法的广泛应用，仅被用于实验室研究。

2．2印章切取转移印制法

此方法是在高压及高温的条件下，给印章的凸起处涂一层“转换层”

（可将树脂类材料通过旋转涂布法均匀涂于印章表面），然后将涂有转换层的印章按压在石墨上，

通过按压使其在印章边缘产生极大的剪应力，最后运用这种剪应力在石墨层上将石墨烯分离下来。而将石墨烯从印章转移到器件上的方法与上

述过程基本类似，亦需要涂一层“固定层”，经过与之前相似的操作过程从印章上把石墨烯剥离下来。此

方法的优势是操作过程较为简单，但同时也存在难以制备出单层石墨烯这一缺陷，

Stephen 等人［10］通过这种方法制备出了厚度大约为1．3mm 的4层石墨烯。

2．3化学气相沉积法

化学气相沉积法（CVD ）是一种在相对而言比较高的温度下，通过化学反应对含碳化合物进行分解，

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