新型层状材料：石墨烯

新型材料的合成、性质及其应用结课论文

新型层状材料：石墨烯

的研究现状

院（系、部）：材料科学与工程学院

姓名：

年级：

专业：材料工程

2016年6月1日·北京

摘要

石墨烯由于独特的单原子层二堆结构及优异的性能，引起了众多学者研究兴趣，在材料，电子，化学．能源．生物医药等众多领域具有广阔的应用前景。通过查阅大量相关文献，本文总结了石墨烯的各种制备方法、表征方法及其在各领域的应用现状，展示了石墨烯的未来研究方向，为后续研究石墨烯的工作提供了可借鉴的思路。

关键词：石墨烯，制备，表征，应用

目录

第一章石墨烯的简介及其制备技术的研究进展 (1)

1.1 石墨烯的简介 (1)

1.1.1 石墨烯的发现 (1)

1.1.2 石墨烯的晶体结构 (1)

1.1.3 石墨烯的能带结构 (2)

1.1.4 石墨烯的电学性质 (2)

1.1.5 石墨烯的光学性质 (2)

1.2 石墨烯的制备方法 (3)

1.2.1 机械剥离法 (3)

1.2.2 氧化—还原法 (3)

1.2.3 SiC分解法 (3)

1.2.4 化学气相沉积法 (3)

1.2.5 电化学法 (4)

1.2.6 取向附生法 (4)

1.2.7 热膨胀剥离法 (4)

1.2.8 液相剥离法 (4)

1.2.9 石墨插层法 (5)

1.2.10 微波法 (5)

1.2.11 超临界CO2法 (5)

1.2.12 碳纳米管切割法 (6)

1.3 石墨烯的检测分析方法 (6)

1.3.1 光学显微镜 (6)

1.3.2 拉曼光谱 (7)

1.3.3 原子力显微镜和透射电子显微镜 (8)

第二章石墨烯的应用研究 (9)

2.1 石墨烯复合材料的应用 (9)

2.1.1 石墨烯填充聚合物复合材料 (9)

2.1.2 层状石墨烯聚合物复合材料 (10)

2.1.3 功能化石墨烯聚合物复合材料 (10)

2.1.4 块体石墨烯金属基复合材料 (11)

2.2 在晶体管方面的应用 (12)

2.3 在储氢方面的应用 (12)

2.4 在生物传感器方面的应用 (13)

2.5 在催化剂载体方面的应用 (13)

第三章石墨烯基复合材料降解有机污染物研究 (14)

3.1 石墨烯/钛系复合材料 (15)

3.2 石墨烯/铋系复合材料 (15)

3.3 石墨烯/铁系复合材料 (16)

3.4 其它石墨烯基复合材料 (16)

参考文献 (17)

新型层状材料：石墨烯的研究现状

第一章石墨烯的简介及其制备技术的研究进展

1.1石墨烯的简介

石墨烯是由一层碳原子构成的二维碳纳米材料，根据严格意义上的二维原子晶体理论，热力学上严格和独立的二维原子晶体是不稳定的，但是准二维（quai-wodimension）原子晶体材料，也就是具有褶皱的或者附着在其他基底上的二维材料是可以存在的。

1.1.1石墨烯的发现

早在1934年，朗道(ndau)和佩尔斯(R.E.Peierls )]就提出准二维晶体材料由于其本身的热力学不稳定性，在室温环境下会迅速分解。1966年，大卫·莫明(David Mermin)和赫伯特·瓦格纳(Herbert Wagner)提出Mermin-Wagner理论，指出长的波长起伏也会使长程有序的二维晶体受到破坏。因此二维晶体石墨烯只是作为研究碳质材料理论模型，一直未受到广泛关注。

直到2004年，英国曼彻斯特大学安德烈·盖姆(AndreGeim)教授和康斯坦丁诺沃肖罗夫(KostyaNovoselov)博士采取了一种特殊的方法获得了石墨烯，他们分离的方法极为简单，他们把石墨薄片粘在胶带上，把有粘性的一面对折，再把胶带撕开，这样石墨薄片就被一分为二。通过不断重复这一过程，就可以得到越来越薄的石墨薄片，而最终部分样品仅由一层碳原子构成，这些由一层碳原子构成的样品就是石墨烯。石墨烯由于透明度非常高，仅仅只有一个原子层，肉眼很难发现，但是如果将石墨烯放置在带有一定厚度的氧化硅的硅片上。利用光的干涉效应，就可以清楚的分辨出石墨烯。幸运的是当时石墨烯恰好被茹贴在有300nm 纳米二氧化硅的硅片上，而这一二氧化硅的厚度恰好是最利于石墨烯被观测的厚度。

1.1.2石墨烯的晶体结构

石墨烯是碳原子在二维尺度上按六方晶格排列的蜂窝状的二维晶体，看起来由苯环组成的二维网络。其中碳原子之间通过Sp2sp杂化成键，每个碳原子与邻近的三个碳原子形成很强的6键，连接十分牢固，形成稳定的六边形状，而且极具柔韧性。碳一碳键长约为0.142nm，每个碳原子剩余一个未成键电子，这些未成键电子在垂直于晶面方向上形成兀键，并且在晶体中可以自由移动，这就是为什么石墨烯有良好的导电性。

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