石墨烯的制备与应用--课程论文

石墨烯的制备与应用前景

石墨烯是由碳原子以sp2链接的单元子层构成，其基本结构为有机材料中最稳定的苯六元环。它是目前发现的最薄的二维材料。石墨烯是构成其他石墨材料的基本单元，它可以翘曲成为零维的富勒烯,卷曲成为一维的CNTs或者堆垛成为三维的石墨。石墨烯是人类已知强度最高的物质，比钻石还坚硬，厚度相当于普通食品塑料袋的石墨烯能够承担大约两吨重的物品。石墨烯最大的特点是石墨

烯最大的特性是其中电子的运动速度达到了光速的1/300，远远超过了电子在一般导体中的运动速度。这使得石墨烯中的电子，或更准确地，应称为“载荷子”的性质和相对论性的中微子非常相似。此外石墨烯有相当的不透明度：可以吸收大约2.3%的可见光。而这也是石墨烯中载荷子相对论性

的体现。

石墨烯的合成方法

1.微机械剥离法

这是最早制备出石墨烯的方法。2004年Novoselovt等用这种方法制备出了单层石墨烯。典型制备方法是用另外一种材料膨化或者引入缺陷的热

解石墨进行摩擦，体相石墨的表面会产生絮片状的晶体，在这些絮片状的

晶体中含有单层的石墨烯。但缺点是此法是利用摩擦石墨表面获得的薄片

来筛选出单层的石墨烯薄片，其尺寸不易控制，无法可靠地制造长度足供

应用的石墨薄片样本。

2.外延生长法

一般是通过加热6H—SiC单晶表面，脱附Si(0001面)原子制备出石墨烯．先将6H- SiC单晶表面进行氧化或H 刻蚀预处理在超高真空下加热去除表面氧化物，通过俄歇电子能谱确认氧化物完全去除后，继续恒温加热10-20分钟，所得的石墨烯片层厚度主要由这一步骤的温度所决定，这种方法能够制备出l-2碳原子层厚的石墨烯，但由于SiC晶体表面结构较为复杂，难以获得大面积、厚度均一的石烯。与机械剥离法得到的石墨烯相比，外延生长法制备的石墨烯表现出较高的载流子迁移率等特性，但观测不到量子霍尔效应。

3.碳纳米管轴向切割法

前文已经提到过，碳纳米管从结构上可以看作是由单层的石墨烯纳米带卷曲

而成。不同管径碳纳米管对应于不同宽度的石墨烯带。因此，可以将碳纳米管沿轴向剪开而制备石墨烯。Kosynkin等¨用强氧化性的高锰酸钾和硫酸的混合物，沿轴向打开纳米管，得到宽度约为100—500 nm的单层或多层石墨烯带。Cano—Marquez等将碳纳米管分散到液氨中，用金属锂进行处理随后再经过酸处理可轴向切开碳纳米管得到石墨烯带。Janowska等首先在碳纳米管上沉积上铁、钴或镍纳米颗粒，然后在氩气与氢气混合气中进行高温催化氢化在化学作用的驱动下，金属纳米颗粒会沿碳纳米管的表面移动从而将其切开。此外，他们还发现小粒径的金属纳米颗粒对碳纳米管的切割是随机进行的，而粒径大于40 nm的金属纳米颗粒则是沿着碳纳米管的轴向对其进行切割。

4.取向附生法-晶膜生长

首先让碳原子在高温下渗入钌，然后冷却，之前吸收的大量碳原子就

会浮到钌表面，镜片形状的单层的碳原子“ 孤岛” 布满了整个基质表面，最终它们可长成完整的一层石墨烯。第一层覆盖 8 0 %后，第二层开始生长。底层的石墨烯会与钌产生强烈的交互作用，而第二层后就几乎与钌完

全分离，只剩下弱电耦合，得到的单层石墨烯薄片表现令人满意。但采用

这种方法生产的石墨烯薄片往往厚度不均匀，且石墨烯和基质之间的黏合

会影响碳层的特性。

5.电弧法

在在维持高电压、大电流、氢气气氛下，当两个石墨电极靠近到一定程度时会产生电弧放电，在反应室内壁区域即可得到石墨烯，这可能是氢气的存在减少了CNTs及其它闭合碳结构的形成。

6.化学气相沉积法

将平面基底置于高温可分解的前驱(如甲烷、乙烯等)气氛中，通过高温退火使碳原子沉积在基底表面形成石墨烯，最后用化学腐蚀法去除金属基底后即可得到独立的石墨烯片．通过选择基底的类型、生长的温度、前驱体的流量等参数可调控石墨烯的生长(如生长速率、厚度、面积等)，此方法已能成功地制备出面积达平方厘米级的单层或多层石墨烯，其最大的优点在于可制备出面积较大的石墨烯片。

7．氧化石墨还原法

氧化石墨还原法制备石墨烯是将石墨片化学氧化为氧化石墨水溶胶再通过

化学还原获得石墨烯。如先将鳞片石墨氧化，分散于水中，然后再用水合联氨进行还原，在还原过程中使用聚合物对氧化石墨层表面进行包裹，避免了团聚，从而制备出了聚苯乙烯磺酸钠包裹的改性氧化石墨单片。该方法高效、环保，成本较低，并且能大规模工业化生产。然而石墨烯的电子结构以及晶体的完整性均受到强氧化剂严重的破坏，使其电子性质受到影响，一定程度上限制了其在精密的微电子领域的应用。

8.溶剂热法

溶剂热法已广泛用于纳米材料的合成中。它可以在密闭反应器中产生高压并可减少挥发性产品的污染，因此非常适合于亚稳态相的制备。通过溶剂热方法可以在较低的温度下实现了对石墨烯氧化物的还原。实验证明碱性条件下通过简单的水热合成法，可以得到稳定的石墨烯水分散液。这种还原反应可能类似于乙醇的氢离子催化的脱氢反应。在这里，水为羟基提供了质子化必须的氢离子，从而导致了在石墨烯氧化物片表面或边缘的分子内脱氢和分子外脱氢反应的发生。9.电化学方法

通过电化学氧化石墨棒的方法可以制备石墨烯。将两个高纯的石墨棒平行的插入含有离子液体的水溶液中，控制一定的电压，一定时间后阳极石墨棒被腐蚀。离子液体中的阳离子在阴极还原形成自由基，与石墨烯片中的t7r电子结合，形成离子液体功能化的石墨烯片。

石墨烯的应用前景

1.化学电源

石墨烯有着较高的比表面积和特意的电子传导能力，在锂离子电池领域内有着广泛的应用前景。当把石墨烯应用于锂离子二次电池负极材料中可以有很高的比容量。研究表明，储锂容量与石墨烯层间距有关，通过参入一些物质改变石墨烯的层间距可以改变其比容量。石墨烯-SnO

复合材料可以大大提高锂离子电池

2

负极材料的比容量和循环稳定性。石墨烯与金属钠离子形成的复合物还可用于燃烧电池的研究中。把金属钠离子负载到石墨烯上后不仅有利于氧化石墨烯的还原，而且阻止了还原后石墨烯片层的团聚。石墨烯-Pt复合物可作为直接甲醇燃烧电池的阳极催化剂。在催化甲醇氧化反应中用石墨烯-Pt作催化剂的电流密度比传