石墨烯

石墨烯难以分散在溶剂中的,石墨烯具有极大的比表 面积，容易发生不可逆团聚，一旦团聚，石墨烯粉末也 很难分散于溶剂中。研究表明，石墨烯在环戊酮中分散 性最好，但可分散浓度也只有8.5μg/ml，要拓展石墨烯 在喷涂和液-液自组装等领域的应用，就需要制备稳定 的石墨烯悬浮液。科学家Li等通过用氨水调节溶液的pH 为10左右，控制石墨烯层间的静电作用，制备出了在水 中稳定分散的石墨烯悬浮液，而且用于相当高的电导率 (7200S/m)。
（2）.氧化石墨还原法
氧化石墨还原法制备石墨烯是将石墨片分散在强氧化性混合酸中，例如浓硝酸 和浓硫酸，然后加入高锰酸钾或氯酸钾强等氧化剂氧化得到氧化石墨(GO)水溶胶， 再经过超声处理得到氧化石墨烯, 最后通过还原得到石墨烯。这是目前最常用的制 备石墨烯的方法。 石墨本身是一种憎水性的物质，然而氧化过程导致形成了大量的结构缺陷，这 些缺陷即使经1100 °C退火也不能完全消除，因此GO表面和边缘存在大量的羟基、 羧基、环氧等基团，是一种亲水性物质。由于这些官能团的存在，GO容易与其它 试剂发生反应，得到改性的氧化石墨烯。同时GO层间距(0.7~1.2nm)也较原始石墨 的层间距(0.335nm)大，有利于其它物质分子的插层。 特点：这种方法环保、高效，成本较低，并且能大规模工业化生产。其缺陷在 于强氧化剂会严重破坏石墨烯的电子结构以及晶体的完整性，影响电子性质，因 而在一定程度上限制了其在精密的微电子领域的应用。
制作方法
韩国三星公司和成均馆大学的研究人员利用化学气相沉积的方法获得 了对角长度30英寸的石墨烯，并将其转移到188微米厚的聚对苯二甲 酸乙二脂（polyethylene terephthalate，简称PET）薄膜上，进而制 造出以石墨烯为基础的触摸屏。如下图所示，生长在铜箔上的石墨烯 先和热剥离型胶带（蓝色透明部分）粘在一起，然后用化学的方法把 铜箔溶解掉，最后用加热的方法把石墨烯转移到PET薄膜上。
清晰的反映出石墨烯 片的大小、 厚度等
原子力显微镜
表征石墨烯片层结构的最有力、 最直接有效工具
通过该带的位置及形 状可以确定石墨烯是 单层、 双层还是多层
拉曼光谱
表征碳材料的一个强有力的非破坏性的工具 区分有序和无序的碳晶体结构上更有用
应用
触摸屏 晶体管 储氢
1.触摸屏
2012年1月8日，江南石墨烯研究院对外宣称，手机用石墨烯电容触摸屏 在常州研制成功。这种透明的薄膜可以满足智能手机触摸屏的基本功能。 江南石墨烯研究院、常州二维碳素科技有限公司联合无锡丽格光电科技 有限公司和深圳力合光电传感器技术有限公司共同研发的手机用石墨烯 电容触摸屏项目，成功制成电容触摸屏手机样机，并完成了功能测试。 这款透明到几乎用肉眼无法辨析的超级薄膜，具有现有智能手机触摸屏 的基本功能，电容屏传感器整个触摸区域可以识别单指和双指触摸及进 行画线动作，实现图片单指手势左右拖动及双指手势放大和家Peter W.Sutter 等使用稀有金属钌作为生长基质，利用基质的原 子结构“种”出了石墨烯。首先在 1150 °C下让C原子渗入钌中，然后冷 却至850 °C，之前吸收的大量碳原子就会浮到钌表面，在整个基质表面 形成镜片形状的单层碳原子“孤岛”，“孤岛”逐渐长大，最终长成一 层完整的石墨烯。第一层覆盖率达80 %后，第二层开始生长，底层的石 墨烯与基质间存在强烈的交互作用，第二层形成后就前一层与基质几乎 完全分离，只剩下弱电耦合，这样制得了单层石墨烯薄片。 特点：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制得的石墨烯薄片的特性。
石墨烯的表征
01
高分辨透射电子显微镜 ( HRTEM ) X 射线衍射 ( XRD )
02
03
紫外光谱 ( UV )
原子力显 微 镜 ( AFM ) 拉 曼光 谱( RAMAN )
04
05
石墨烯呈轻纱状半 透明片状结构分布 , 从图中可大致的 估算出石墨烯片的 层数和大小
高分辨透射电子显微镜 ( HRTEM ) 简单快速的表征手段
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制备方法
1.物理方法
物理方法通常是以廉价的石墨或膨胀石墨为原料，通过机 械剥离法、取向附生法、液相或气相直接剥离法来制备单层或 多层石墨烯。 特点：这些方法原料易得, 操作相对简单，合成的石墨烯的 纯度高、缺陷较少。
(1).微机械剥离法
2004年, 石墨烯的发现者 Geim 等用一种极为简单的方法 （ 微机械剥离 法）成功地制备并观测到单层石墨烯。他们首先用光刻胶将高定向热解石墨 转移到玻璃衬底上, 然后用透明胶带进行反复粘贴将高定向热解石墨剥离, 随 后将粘有石墨烯片的玻璃衬底放入丙酮溶液中超声振荡。再将单晶硅片放入 丙酮溶剂中, 单层石墨烯片会由于范德华力或毛细管作用吸附在单晶硅片上, 从而成功地制备了二 维的石墨单层。最近,科学家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。为了防止剥离出来的石墨烯片的团聚, 研磨过程中加入阴离子表 面活性剂十二烷基硫酸钠以稳定石墨烯片。 特点：该法工艺简单, 成本低廉，但费时费力, 重复性差, 难以大规模制备。
2.晶体管
石墨烯中的电子传导速率比一般半导体大得多，这使得石 墨烯晶体与硅晶片相比具有更大的优势，利用石墨烯做成 的晶体管体积小、成本低廉，灵敏度更高、更快、功耗更 低。过去制造单电子晶体管的尝试大多是采用标准的半导 体材料，而且需要冷却到接近绝对零度才能使用，然而石 墨烯单电子晶体管在室温下就可以正常工作，而且石墨晶 体管能够很容易地设计成想要的各种结构。
发展前景
• 美国俄亥俄州的Nanotek仪器公司利用锂电池在石墨烯表面和电极之 间快速大量穿梭运动的特性，开发出一种新的电池。这种新的电池可 把数小时的充电时间压缩至短短不到一分钟。分析人士认为，未来一 分钟快充石墨烯电池实现产业化后，将带来电池产业的变革，从而也 促使新能源汽车产业的革新。 • 微型石墨烯超级电容技术突破可以说是给电池带来了革命性发展。目 前主要制造微型电容器的方法是平板印刷技术，需要投入大量的人力 和成本，阻碍了产品的商业应用。而现在只需要常见的DVD刻录机， 甚至是在家里，利用廉价材料30分钟就可以在一个光盘上制造100多 个微型石墨烯超级电容。 • 曼彻斯特大学副校长Colin Bailey教授称：“石墨烯有可能彻底改变数 量庞大的各种应用，从智能手机和超高速宽带到药物输送和计算机芯 片。”
研究者们在石墨烯上适当 的位置印上银电极，用银 电极把材料划分为一块块 3.1英寸大小的区域，然后 在区域内的石墨烯上放上 规则排布的绝缘点阵，这 样两片对应地组装在一起 就做成了弹性很好的触摸 屏器件。当它同电脑上的 控制软件连接时，就能发 挥触摸屏的作用了。
工作原理
触摸屏由上下两层粘在PET薄膜上的石墨烯构成，没有接 触的情况下，两层石墨烯被在下层放置的绝缘点阵阻隔而 互不接触。当存在外界压力的时候，PET薄膜和石墨烯在 压力作用下发生形变，这样上下两层石墨烯就有接触，电 路连通。接触的位置不同，器件边缘电极接收到的电信号 也不一样，通过对电信号的分析，就可以确定是触摸屏上 的哪个位置发生了接触。
现状
• 正是看到了石墨烯的应用前景，许多国家纷纷建立石墨烯相关技术研 发中心，尝试使用石墨烯商业化，进而在工业、技术和电子相关领域 获得潜在的应用专利。欧盟委员会将石墨烯作为“未来新兴旗舰技术 项目”，设立专项研发计划，未来10年内拨出10亿欧元经费。英国政 府也投资建立国家石墨烯研究所(NGI)，力图使这种材料在未来几十 年里可以从实验室进入生产线和市场。 • 中国在石墨烯研究上也具有独特的优势：作为石墨烯生产原料的石墨， 在我国储能丰富，价格低廉。另外，批量化生产和大尺寸生产是阻碍 石墨烯大规模商用的最主要因素。而我国最新的研究成果已成功突破 这两大难题，制造成本已从5000元/克降至3元/克，解决了这种材料 的量产难题。
3.储氢
氢气是一种有望减少二氧化碳的排放量，减少空气污染的可持续发展 的清洁能源。但是发展具有高容量的储氢载体依然是一个巨大的挑战。 石墨烯是具有单层原子厚度的二维结构，有着高的电子导电性、大的 比表面积，化学稳定性好，因而成为储氢材料的最佳候选者。 实例：parambhath等研究发现，通过改性乙二醇还原法，可以将钯 纳米颗粒均匀分散于石墨烯中。由于与钯纳米颗粒的结合，石墨烯的 比表面积更大，从而为氢溢出现象（见图2）提供了更好的条件，由 此使氢剥离的石墨烯的储氢性能提高了３倍。
2 化学法
目前实验室用石墨烯主要通过化学方法来制备，该法最早以苯环或其 它芳香体系为核，通过多步偶联反应使苯环或大芳香环上6个C均被取代， 循环往复，使芳香体系变大，得到一定尺寸的平面结构的石墨烯。在此 基础上人们不断加以改进，使得氧化石墨还原法成为最具有潜力和发展 前途的合成石墨烯及其材料的方法。除此之外，化学气相沉积法和晶体 外延生长法也可用于大规模制备高纯度的石墨烯。
2.基本特性
• 石墨烯目前是世上最薄却也是最坚硬的纳米材料，常温下其电子迁移率比纳米碳管或 硅晶体（monocrystalline silicon）高，而电阻率比铜或银更低，为目前世上电阻率最 小的材料。因为它的电阻率极低，电子跑的速度极快，因此被期待可用来发展出更薄、 导电速度更快的新一代电子元件或晶体管。 石墨烯的碳原子排列与石墨的单原子层雷同，是碳原子以sp2混成轨域呈蜂巢晶格 (honeycomb crystal lattice)排列构成的单层二维晶体。石墨烯可想像为由碳原子和其共 价键所形成的原子尺寸网。石墨烯的结构非常稳定，碳碳键（carbon-carbon bond） 仅为0.142nm。石墨烯内部的碳原子之间的连接很柔韧，当施加外力于石墨烯时，碳原 子面会弯曲变形，使得碳原子不必重新排列来适应外力，从而保持结构稳定。这种稳 定的晶格结构使石墨烯具有优秀的导热性。 石墨烯是构成下列碳同素异形体的基本单元：石墨，木炭，碳纳米管和富勒烯。完美 的石墨烯是二维的，它只包括六边形(等角六边形); 如果有五边形和七边形存在，则会 构成石墨烯的缺陷。12个五角形石墨烯会共同形成富勒烯。 石墨烯卷成圆桶形可以用为碳纳米管。 石墨烯的比表面积十分高。