石墨烯报告

石墨烯相关研究工作调研报告

----光催化

姓名：*** 学号：******* 班级：*******

石墨烯性质：

石墨烯是由单层sp2 杂化碳原子组成的六方点阵蜂窝状二维结构，包含两个等价的子晶格A和B。它的单层厚度为0.35 nm，C-C 键长为0.142 nm，其独特的稳定结构使之具有不同于其它材料的优良性能。石墨烯是一种零带隙半导体材料，超高的载流子迁移率，是商用Si材料迁移率的140倍，达到200000cm2/V s，高于目前已知的任何半导体材料。在典型的100nm通道晶体管中，载流子在源和漏之间传输只需要0.1ps，因此可应用于超高频器件，为提供一种扩展HEMT频率到THz成为可能。在石墨烯上，整流栅电极可以相隔几纳米放臵，这样沟道更短而且传输更快。导热性能优良，热导率是金刚石的3倍，达到5000 W/m K；超大的比表面积，达到2630m2/g；此外，它非常坚硬，强度是钢的100多倍，达到130 GPa。研究人员甚至将石墨烯看作是硅的替代品，能用来生产未来的超级计算机。

石墨烯复合材料的特点：

石墨烯是2004年以来发现的新型电子材料【5】石墨烯是sp2杂化碳原子形

成的厚度仅为单层原子的排列成蜂窝状六角平面晶体。在单层石墨烯中，碳碳键长为0.142nm，厚度只有0.334nm。石墨烯是构成下列碳同素异型体的基本单元：例如：石墨，碳纳米管和富勒烯。石墨烯被认为是平面多环芳香烃原子晶体。石墨烯在电子和光电器件领域有着重要和广阔的应用前景【6】正因为如此，石墨烯的两位发现者获得了2010年的诺贝尔物理学奖。

石墨烯是一种没有能隙的半导体，具有比硅高100倍的载流子迁移率(2×105cm2／v)，在室温下具有微米级自由程和大的相干长度，因此石墨烯是纳米电路的理想材料石墨烯具有良好的导热性[3000W／(m ·K)]、高强度(110GPa)和超大的比表面积(2630mZ／g)。这些优异的性能使得石墨烯在纳米电子器件、气体传感器、能量存储及复合材料等领域有光明的应用前景

3. 2 石墨烯是一种半金属或者零带隙二维材料，在靠近布里渊区6个角处的低能区，其E-k色散关系是线性的【7】,因而电子或空穴的有效质量为零，这里的电子或空穴是相对论粒子，可以用自旋为1／2粒子的狄拉克方程来描述。石墨烯的电子迁移率实验测量值超过15000cm2／(V ·s)(载流子浓度n≈10 13cm -2)，在10～100K范围内，迁移率几乎与温度无关，说明石墨烯中的主要散射机制是缺陷散射，因此，可以通过提高石墨烯的完整性来增加其迁移率，长波的声学声子散射使得石墨烯的室温迁移率大约为200000cm 2／(V·s)(载流子浓度n≈10 12cm )，其相应的电阻率为lO -6 Ω·cm，比室温电阻率最小的银的电阻率还小。硅的电子迁移率为l400cm 2／(V.s)，

电子在石墨烯中的传输速度是在硅中的100倍，因而未来的半导体材料是石墨烯而不是硅。这将使开发更高速的计算机芯片和生化传感器成为可能。但是当石墨烯生长在siO2衬底上时，由于衬底的光学声子对电子的散射比石墨烯本身对电子的散射要强很多，导致电子的迁移率下降为40000cm 2／(V·s)。同时，人们也研究了化学掺杂对石墨烯载流子迁移率的影响。Schedin等发现【8】，即使杂质浓度超过10 12cm-2 ，载流子迁移率也没有发生变化。Chen等研究发现【9】，低温和超高真空的环境下，对石墨烯掺杂金属钾可以使载流子的迁移率下降至原来的1／20左右，而当加热石墨烯，去除掺杂的钾后，载流子的迁移率又可以恢复到以前的水平。石墨烯独特的电子特性产生了一种令人预想不到的高不透光性，这种单原子层对白光的吸收率是一个非常令人惊奇的数字：a≈2.3 %，a是精细结构常数。石墨烯被认为是理想的自旋电子学材料，因为其自旋一轨道耦合很弱，而且碳原子的核磁矩几乎为零，因此，电子的自旋注入核探测可以在室温下进行。石墨烯中，电子自旋扩散长度在室温下甚至超过l m。石墨烯是现在世界上已知的最为坚固的材料。哥伦比亚大学James Hone组的研究人员将石墨烯薄片衬于直径为l～1．5 m的SiO2空洞上【11】，用显微镜确定石墨烯的位置后，开始利用硅探头来按压石墨烯薄膜，但是，他们很快发现硅探头的强度不够，往往是石墨烯薄膜未破，硅探头就断了，后来就只能改用半径大概为10～30nm 的钻石探头来按压，以得到薄膜被破坏时的应力值。然而令人震惊的是，石墨烯的强度是世界上最好的钢强度的100倍。最后，

研究人员利用原子力显微镜针尖测量了石墨烯的力学性能，其弹性系数为10 5 N／m，而杨氏模量达0．5TPa。

石墨烯复合材料的应用--光催化：

作为一种应用最为广泛的光催化剂材料，TiO2在环境污染治理和太阳能利用等方面扮演了重要角色。目前，在TiO2的制备等方面已经有了很大的突破，但由于其禁带宽度为3.2 eV（锐钛矿）, 只能吸收波长小于387nm的紫外光，光催化效率很低。因此，很多科学家都将研究的重点集中在TiO2的可见光改性和提高催化效率上。这其中，碳纳米材料由于其独特的物理化学性能，使得其与TiO2复合材料的光催化性能研究成为一个热门方向。相比于碳纳米管、富勒烯等碳纳米材料，石墨烯表现出更为优异的电输运性能、机械性能和表面化学性能，这使得其复合材料在光催化过程中的吸附效率、光生载流子的分离效率以及光催化效率得到极大的提高。因此，石墨烯与TiO2等传统半导体光催化材料的复合可能是极为理想的新型光催化剂。目前，制备石墨烯与TiO2复合光催化剂的方法主要有水热法和溶胶凝胶法，这类化学复合方法使得石墨烯与TiO2直接形成良好的肖脱基接触，从而很好的阻止了光生电子空穴对的体内复合问题，使得光催化性能得到明显改善

这项工作采用新方法制备出石墨烯/TiO2复合光催化材料，使得碳元素以复合和掺杂两种方式存在于光催化剂中，极大的提高了TiO2的可见光催化活性。因而拓展了石墨烯在光催化领域的应用范围，并对

光催化材料的实际应用起到了推动作用。该论文发表不到半年已经被他引8次。

光催化材料的研究与进展：

光催化降解污染物是近年来发展起来的一种节能、高效的绿色环保新技术．

它在去除空气中有害物质,废水中有机污染物的光催化降解,废水中重金属污染物

的降解，饮用水的深度的处理，除臭，杀菌防霉等方面都有重要作用，但是作为

新功能材料，它也面临着很多局限性：催化效率不高，催化剂产量不高，有些催

化剂中含有有害重金属离子可能存在污染现象。但是我们也应当看到他巨大的发

展潜力和市场利用价值，作为处理环境污染的一种方式，它以零二次污染，能源

消耗为零，自发进行无需监控等优势必将居于污染控制的鳌头。本文介绍了一些

关于光催化研究的制备与发展方向的思考，光催化正在以TiO 2 ，ZnO 为主导多

种非重金属离子掺杂，趋于多样化的制备方法方向发展。