文档介绍：石墨稀的研究进展
摘要:石墨烯作为一种新兴的材料,具有许多其它材料所不具有的优异性能。正引起许多领域的科学工作者对它的研究,特别是在光电方面。本文将简单介绍石墨烯的发展历史及性能,重点介绍近些年在石墨烯的制备、改性和应用方面的研究情况。
关键词:石墨烯;光电材料;制备方法;应用;
碳元素在纳米材料中有突出的表现,比如:碳纳米管、富勒烯、纳米多孔碳等。2004年Novoselov等[1,2]制备出了一种新的碳纳米材料石墨烯(Graphene),也被称作单原子石墨晶体。由于其具有优异的性能被称为超级材料。石墨烯纳米薄片是一种只有一层或几层原子厚度的纯碳原子结构,其C-C键以sp2结合,形成一个密集的二维蜂窝状晶格结构[3],是构建其他维度碳质材料(如零维富勒烯、一维纳米碳管、三维石墨)的基本单元。由于它具独特的二维碳纳米结构以及优异的物理属性,使得其在物理学,材料学以及凝聚态物理领域引起了人们的广泛关注与兴趣。同时化学和热性能优异,导电率大,机械强度大的特点,使得石墨烯为基础的材料有广泛的工业应用价值,如可以用作吸附剂,催化剂载体,热传输媒体,可以制成具有精密结构的电子元件,即使在生物技术方面也可以得到应用,特别的,随着碳材料性能的不断改进,使得其逐渐成为能源领域的主导,如在对存储设备要求高的氢存储,燃料电池,太阳能电池以及锂离子电池,电容器等方面应用广泛
[4]。
二维石墨烯是构建其他维度碳质材料(如零维富勒烯、一维纳米碳管、三维石墨)的基本单元。每一个碳原子都与周围三个碳原子以碳碳σ键连接,如图一所示。结构完整的石墨烯是由不含任何不稳定键的苯六元环组合而成的二维晶体, 化学稳定性高, 其表面呈惰性状态, 与其他介质(如溶剂等)的相互作用较弱, 并且石墨烯片与片之间有较强的范德华力, 容易产生聚集。
图-1 石墨烯结构
石墨烯是当今世界上最薄且最硬的材料,。石墨烯强度很大,其强度比钻石还坚硬,比世界上最好的钢铁还要高上100倍,约为110-130GPa[5],理论上,如果能够制作出厚度为100 nm的石墨烯,那么需要施加约200 kN的力才能够将其扯断。由于石墨烯平面内π轨道的存在,点在可在晶体中自由移动,使得石墨烯具有十分优异的电子传输性能,石墨烯还有非常好的导电性能热和传导性能,此外石墨烯还有很好的磁性能。
石墨烯自2004年首次被英国曼彻斯特大学的安德烈-吉姆和康斯坦丁-诺沃肖洛夫等制备出来以后,就引起了许多人的研究,同时也得到了许多种制备石墨烯的方法。有机械剥离法,氧化石墨-还原法,化学气相沉淀法,电化学还原法,溶剂剥离法,溶剂热法,微波加热法,电弧放电法,加热SiC 法,有机合成等方法。下面将一一介绍这些方法,及其各自的发展情况和优缺点。
此方法是制备且确认存在石墨烯的第一种方法。2004年, 石墨烯的发现者Geim 等[6]用一种极为简单的方法微机械剥离法成功地制备并且观测到单层石墨烯。其原理就是利用机械力,如透明胶带的黏力,将石墨烯片从具有高度取向热解石墨晶体表面剥离下来。2007年Me- yer等[7]发现单层石墨烯表面有一定高度的褶皱,且单层石墨烯表面褶皱程度明显大于双层石墨烯,且随着石墨烯层数的增加褶皱程度越来越小。Knieke等[8]利用湿法研磨法在室温下研磨普通石墨粉,成功的对石墨的片层结构进行了剥离,制备了单层和多层的石墨烯片。
chleberger等[9]用该方法在不同基底上制备出石墨烯,将常用的SiO2基底更换为其它的绝缘晶体基底(如SrTiO3、TiO2、Al2O3和CaF2等), nm,远远小于在SiO2基底上制得的石墨烯。该方法的优点是得到的产物保持着比较完美的晶体结构,缺陷的含量较低。缺点是产生石墨烯的效率较低,不适合大规模的工业生产,一般仅仅是应用在实验室的基础研究中。
氧化石墨还原法是制备石墨烯的最常用的方法之一,发展的也比较好,主要适用于实验室用于实验的制备,有一定的优点。氧化石墨还原法主要包括三个步骤,即石墨的氧化、氧化石墨的剥离、氧化石墨烯的还原。
石墨的氧化主要运用以下三个方法:Hummers法[10]、Brodie法[11]和Staudenmaier法[12],其中最常用的是Hummers法,主要用到得氧化剂为浓硫酸和高锰酸钾此类氧化剂对石墨烯的性能有所影响,Shen 等[13]以过氧化苯甲酰为氧化剂,利用过氧化苯甲酰的插入作用,可以快速、简便、大批量制备氧化石墨及石墨烯。目前,制备氧化完全的氧化石墨技术已相对成熟,但是如阿更有效地剥离出不同直径和厚度的石墨烯以适应不同的需求,还有诸多技术上的难点需