石墨烯薄膜的制备及性能分析_侯朝霞
收稿日期:20141114基金项目:国家自然科学基金资助项目(51472166);辽宁省优秀人才支持计划项目(UQ2011125).作者简介:侯朝霞(1971),女,山东高密人,沈阳大学教授,博士.
第27卷第1期2015年2月沈阳大学学报(自然科学版)JournalofShenyangUniversity(NaturalScience)Vol.27,No.1Feb.2015
文章编号:2095-5456(2015)01-0012-06石墨烯薄膜的制备及性能分析侯朝霞,周 银,李光彬,李思明,王美涵,胡小丹(沈阳大学机械工程学院,辽宁省新型功能材料与化学工艺重点实验室,辽宁沈阳 110044)
摘 要:采用改进的Hummer’s法和超声剥离法制备的氧化石墨烯经旋涂和滴涂工艺制备成膜,再经一
步还原获得石墨烯薄膜.研究了氧化石墨烯经一步和两步还原制备出石墨烯后再经旋涂成膜的工艺.同时研究了不同分散剂对石墨烯的分散效果,分析了不同还原工艺对石墨烯薄膜方电阻的影响,并采用金相显微镜和扫描电镜观察分析了石墨烯薄膜的微观形貌.结果表明:旋涂法制备的石墨烯薄膜更均匀、透光率更高;DMF对石墨烯具有良好的分散效果;两步还原得到的石墨烯薄膜的导电性能明显优于一步还原.
关 键 词:石墨烯;薄膜;制备;旋涂;方电阻中图分类号:TQ127.1+1 文献标志码:A
石墨烯是由碳的单原子层构成的二维蜂窝状网格结构[1].同时它也是构成其他碳的同素异形体的基本单元,它可以折叠成零维的富勒烯,卷曲成一维的碳纳米管,堆垛成三维的石墨[2].自2004年被发现以来,石墨烯已被冠以多个美名:“未来之材料”“电子高速公路”等.2010年在石墨烯的两位发现者盖姆和诺沃肖洛夫获得诺贝尔物理学奖后,学术界掀起了新一轮的石墨烯研究热潮,重大成果不断涌现.由于具有优异的导电、透光性和高比表面积,石墨烯在太阳能电池中可以作为透明电极窗口层材料.对于传统透明导电材料,“透明”表明材料的能隙大(Eg>3eV),且自由电子少,但“导电”又往往表明自由电子多,类似金属而不透明.只有同时满足这两个条件的材料才能用作透明导电薄膜,这在理论和技术上是一对矛盾.以氧化铟锡(ITO)和掺氟氧化锡(FTO)为代表的薄膜材料虽然能够较好地协调上述矛盾,因其高的电导率和光透射率已被广泛用在太阳能电池的电极材料中[34],但却存在着诸多无法克服的缺点.例如,制备ITO大量使用稀有元素,成本高.ITO的脆性影响其使用寿命、对聚合物中离子扩散过于敏感等.人们急需要寻找一种易得的材料来替代这种稀少的材料,石墨烯具有良好的透光性和导电性,有潜力成为铟锡氧化物(ITO)的替代材料.Wang
等[5]利用热膨胀石墨氧化物为原料进
行热还原后得到的石墨烯可制作成透明导电膜,其在染料敏化太阳电池中的应用,取得了非常好的效果.制备出的石墨烯的厚度在10nm左右,电导率为550S·cm-1,在1000~3000nm的波长范围内透光率达70%.Becerril等[6]把石墨烯氧化物旋涂到石英表面进行热还原后,电导率为100S·cm-1,并且在400~1800nm波长范围内
透光率可以达到80%,显示出该材料在太阳能电
池领域有很大的应用前景.虽然目前在石墨烯透明导电薄膜的结构、性能、制备等方面已经取得了很多的成果,但是很明显石墨烯透明导电薄膜实现产业化还需要做更多的研究和努力,以充分发掘石墨烯透明导电薄膜的潜力.
1 试 验
1.1 样品制备
1.1.1 原料及试剂
石墨粉(含碳质量分数大于98%,购于天津
市瑞金特化学品有限公司),硝酸钠(NaNO3
),高
锰酸钾(KMnO4),98%硫酸(H2SO4),30%过氧化氢(H2O2),36%盐酸(HCl),均为分析纯.还原剂水合肼(N2H4·H2O)、氢碘酸(HI)、维生素C
DOI：10.16103/j.cnki.21-1583/n.2015.01.003 网络出版时间：2015-03-23 16:59网络出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/21.1583.N.20150323.1659.003.html(VC)和硼氢化钠(NaBH4)为分析纯
.分散剂四氢呋喃(THF)、异丙醇(Isopropanol)、乙醇(Ethanol)、N,N-二甲基甲酰胺(DMF)和N-甲基毗咯烷酮(NMP)均为分析纯.1.1.2 玻璃预处理在对玻璃处理之前,首先要对玻璃表面进行清洗和干燥,以去除玻璃表面的杂质,因为洁净的玻璃表面对亲水性有促进作用.采用超声波清洗的方法可大大提高被清洗玻璃表面的清洁度,依次采用丙酮、乙醇和去离子水分别超声清洗10min,然后取出,再用去离子水冲洗一遍,最后用氮气吹干,备用.将质量分数30%的过氧化氢缓慢倒入质量分数98%的浓硫酸中,体积比为V(H2SO4)∶V(H2O2)=7∶3,因为会放出大量的热,双氧水倒入后要不断地搅拌.然后将清洗干净的待处理玻璃放入配好的溶液中,并在80℃下处理30min,取出,用乙醇和去离子水反复清洗干燥,并用氮气吹干,备用.图1是在未处理和预处理后的玻璃上分别滴石墨烯分散液后的照片,从图1可以看出处理后玻璃对液滴润湿性要比未处理的好.图1 液滴在未处理玻璃和预处理后玻璃的润湿效果Fig.1 Wettingeffectofdroponuntreatedandpretreatmentglasses1.1.3 氧化石墨烯前驱体制备石墨烯薄膜采用改进的Hummer’s法制备的氧化石墨[7],先旋涂后还原工艺如下:称量一定量的氧化石墨,加入去离子水超声处理1h,将氧化石墨剥离成氧化石墨烯,配制出不同质量浓度(1、2、3、4、5mg/mL)的氧化石墨烯溶液.通过高速离心分离出没有分散的氧化石墨烯,得到稳定分散的氧化石墨烯溶液备用.采用匀胶机进行旋涂,先将氧化石墨烯分散液滴在玻璃上湿润1min,再将基底以600r/min转速旋转1min,使溶液充分分散在基底上,然后再以800r/min转速旋转1min,使形成的薄膜变薄,最后以1600r/min转速旋转1min,加快溶剂蒸发,使薄膜变干.氧化石墨烯薄膜采用一步还原工艺.还原剂分别为肼蒸汽和HI溶液.一步还原工艺分别为肼蒸汽60℃处理24h,HI溶液100℃处理3h,将氧化石墨烯薄膜还原成石墨烯薄膜.还原氧化石墨烯薄膜经去离子水和乙醇清洗,80℃干燥24h.1.1.4
石墨烯前驱体制备石墨烯薄膜
采用改进的Hummer’s法制备的氧化石墨,先还原后旋涂的工艺.还原分一步还原和两步还原两种工艺.一步还原还原剂分别为肼蒸汽、HI、
VC和NaBH4.一步还原工艺为:①将N2H4加入
氧化石墨烯分散液中,经油浴60℃加热伴回流冷凝24h;②将VC加入氧化石墨烯分散液中,经油浴80℃加热伴回流冷凝24h;③将HI加入氧化石墨烯分散液中,经油浴100℃加热伴回流冷凝3h;④先将氧化石墨烯分散液pH值调至9,再加
入NaBH4经油浴100℃加热伴回流冷凝24h.两步还原工艺如下:①将VC加入氧化石墨烯分散液中;②经油浴80℃加热伴回流冷凝24h;③分别加入NaBH4和N2H4继续还原24h,得到两步
还原产物.最后还原产物(还原氧化石墨烯)经过滤、洗涤、干燥后,备用.
称取一定量的石墨烯,分别加入四氢呋喃(THF)、异丙醇(Isopropanol)、乙醇(Ethanol)、
N,N-二甲基甲酰胺(DMF)、N-甲基毗咯烷酮
(NMP)、水(Water)和DMF/Water(体积比为
9
∶1)七种溶剂作为分散剂,分别配制质量浓度为
0.5mg/mL的石墨烯悬浮液,经超声分散得到石
墨烯悬浮液.将不同石墨烯悬浮液以5000r/
min,离心30min,再用洁净的滴管取上层的液体
分别做紫外可见光光谱分析.根据1.1.3介绍的旋涂法在经过预处理的玻璃基底上旋涂石墨烯悬浮液,再经烘干即得到所需石墨烯薄膜.
1.2 样品的性能及表征
采用金相显微镜和日本日立S4800型场发射扫描电镜,对薄膜样品的形貌进行观察.采用美国VARIAN的Cary50紫外可见分光光度计测石
墨烯分散液的吸光度和石墨烯薄膜的的光透过率.波长范围:190~1100nm,单光束测试,带宽5
nm,分辨率0.5nm.采用四探针测试仪对石墨烯
导电薄膜的方电阻进行测试.利用公式(1)计算薄
膜的方电阻.
R□=4.53UI(1
)
式中:R□为方电阻,Ω;U为输入电压,mV;I为输入电流,mA.
2 结果与讨论
2.1 石墨烯分散剂的选择
THF、异丙醇、乙醇、DMF、NMP、水和
DMF/Water(体积比为9∶1)七种溶剂作为分散
剂经超声分散得到石墨烯悬浮液如图2所示.不
31第1期 侯朝霞等:石墨烯薄膜的制备及性能分析
石墨烯ppt课件
04
缺点
设备成本高，制备过 程复杂。
液相剥离法制备过程及优化策略
过程
将石墨或膨胀石墨分散在溶剂中，通 过超声波、热应力等作用剥离出单层 或少层石墨烯。
优化策略
选择适当的溶剂和剥离条件，如超声 功率、时间、温度等，以提高剥离效 率和石墨烯质量。
优点
制备过程简单，成本低。
缺点
难以制备大面积、单层的石墨烯。
未来挑战和机遇并存局面思考
技术挑战
石墨烯制备技术仍存在一些难题 ，如大规模制备、成本控制、质 量稳定性等，需要加强技术研发
和创新。
市场机遇
随着石墨烯技术的不断突破和市场 需求的持续增长，石墨烯产业将迎 来更广阔的发展空间，企业需要抓 住机遇，积极拓展市场。
跨界融合
石墨烯产业需要与其他产业进行跨 界融合，共同推动产业升级和创新 发展，如与互联网、人工智能等产 业的深度融合。
THANKS
感谢观看
消费电子市场需求
随着消费电子产品的不断更新换代， 石墨烯在智能手机、平板电脑、可穿 戴设备等领域的应用需求将持续增长 。
新能源市场需求
石墨烯在新能源领域具有广阔的应用 前景，如太阳能电池、锂离子电池、 燃料电池等，未来市场需求将不断扩 大。
医疗健康市场需求
石墨烯在生物医疗领域的应用也逐渐 受到关注，如生物传感器、药物载体 、医疗器械等，未来市场需求有望持 续增长。
三维多孔支架、细胞培养基质、神经修复导管
石墨烯组织工程支架材料的研究进展及前景
骨组织工程、皮肤组织工程、心肌组织工程
安全性评价和毒理学问题关注
石墨烯的生物安全性问题
01 细胞毒性、免疫原性、遗传毒性
石墨烯的体内代谢和毒性机制
石墨烯制备及热学性能分析
石墨烯制备及热学性能分析作者：余秋萍林惠孚谌文澜来源：《中国科技博览》2018年第14期[摘要]石墨烯作为一种新型材料，在多方面具有优良的特性，本文针对石墨烯的热学特性，对石墨烯的热学性能进行研究。
首先介绍了石墨烯材料的特点，重点介绍其导热机理，然后对其热导率进行了预测模拟，最后对其热学性能的具体参数进行了研究测定，对石墨烯材料的热学性能进行了全面的分析研究。
[关键词]石墨烯、热学性能、热导率中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）14-0212-01近年来，石墨烯材料发展迅速，具有广泛的应用前景，受到了广泛的关注。
石墨烯作为一种新型材料，具有非常优异的特性。
石墨烯是由碳原子以sp2杂化组成六角形呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有单层碳原子的厚度，是目前最薄最轻的材料，厚度仅为0.34nm，比表面积为2630m2/g。
然而它具有极高的强度，杨氏模量与金刚石相当。
其次，石墨烯材料的载流子迁移率高，电流密度耐性大，导电性能优异。
另外，石墨烯具有良好的导热性能，导热率达3000-5000 W/mK，与碳纳米管相当。
石墨烯通电后可以发射光谱波长在0.75-1000微米的远红外线。
远红外与人体具有良好的亲和性，可与人体的分子产生谐振，让人感觉到温暖，其加热原理与阳光相似。
远红外加热具有加热速度快，能耗低，穿透力强，有益于人体健康等特点。
1.石墨烯导热机理介绍石墨烯本身导热性能良好，描述导热性能使用导热率。
导热率定义是，物体内部垂直于导热方向取两个相距一米，面积一平方米的平面，若两平面温差为1K，则1秒内从一平面传导到另一平面的热量规定为该物资的热导率。
热导率的基本计算公式如下：热导率的计算单位为。
其中的A代表的截面面积， Q表示导热中传递的热能，t为时间，T表示导热材料的温度差，l表示的是材料的长度，k为热导率计算值。
对于所有导热材料，热导率还可以用来计算。
这种表述中，三个数据分别为导热载体中的热容、平均速度以及平均的运行自由程。
石墨分析实验报告总结(3篇)
第1篇一、实验背景石墨作为一种重要的碳质材料，在工业、科研等领域具有广泛的应用。
本实验旨在通过对石墨样品的分析，了解其化学组成、结构特性以及相关性能，为石墨的进一步研究和应用提供数据支持。
二、实验目的1. 确定石墨样品的化学组成。
2. 分析石墨的结构特性。
3. 评估石墨的性能指标。
4. 探讨石墨的制备方法和应用前景。
三、实验方法本实验主要采用以下方法进行石墨分析：1. 化学分析方法：通过X射线荧光光谱（XRF）和原子吸收光谱（AAS）等手段，对石墨样品进行化学组成分析。
2. 结构分析方法：采用X射线衍射（XRD）和扫描电子显微镜（SEM）等手段，对石墨的结构特性进行分析。
3. 性能分析方法：通过电学测试、力学测试等方法，评估石墨的性能指标。
4. 制备方法研究：探讨不同制备方法对石墨性能的影响。
四、实验结果与分析1. 化学组成分析：XRF和AAS结果表明，石墨样品主要由碳元素组成，并含有少量杂质，如硅、铝、铁等。
2. 结构特性分析：XRD和SEM结果表明，石墨样品具有良好的层状结构，层间距约为0.34纳米。
石墨烯层间存在少量缺陷，如石墨烯层间的空隙、石墨烯层内的杂质等。
3. 性能指标分析：电学测试结果显示，石墨样品的电阻率为0.05Ω·m，导电性能良好。
力学测试结果显示，石墨样品的弯曲强度为150MPa，具有良好的力学性能。
4. 制备方法研究：通过对比不同制备方法制备的石墨样品，发现微机械剥离法制备的石墨样品具有更好的结构特性和性能。
五、实验结论1. 本实验成功地对石墨样品进行了化学组成、结构特性和性能指标分析。
2. 石墨样品具有良好的层状结构，层间距约为0.34纳米，并含有少量杂质。
3. 石墨样品具有良好的导电性能和力学性能。
4. 微机械剥离法制备的石墨样品具有更好的结构特性和性能。
六、实验讨论1. 本实验采用多种分析方法对石墨样品进行了全面分析，为石墨的进一步研究和应用提供了数据支持。
石墨烯薄膜制备方法研究
石墨烯薄膜制备方法研究LT本科生毕业设计（论文）任务书设计（论文）题目：石墨烯薄膜制备方法研究学院：化学工程学院专业：化学工程与工艺班级：化工0805学生：艾东东指导教师（含职称）：元炯亮副教授专业负责人：刘晓林1．设计（论文）的主要任务及目标主要任务：（1）利用Hummers法制备氧化石墨；（2）利用电化学还原法制备石墨烯。
主要目标：配置一定浓度的氧化石墨溶液，导电玻璃作为基底，将氧化石墨溶液涂于导电玻璃表面，在恒电压下还原氧化石墨，制得薄层石墨烯。
2．设计（论文）的基本要求和内容了解石墨烯国内外的研究现状和发展趋势，以及有关石墨烯的一些制备方法和表征手段，掌握基本的实验操作技能，学会分析实验结果。
毕业论文完成后应具备独立进行研究的能力。
3．主要参考文献[1] 朱宏伟，徐志平，谢丹等.石墨烯-结构、制备方法与性能表征[M].北京：清华大学出版社，2011:36～45[2]郭鹏.石墨烯的制备、组装及应用研究[D],北京：北京化工大学，2010[3] Hummers W S, Offeman R E, Preparation of graphite oxide[J].J Am ChemSoc, 1958,80(6):1339石墨烯薄膜制备方法研究摘要石墨烯是由单层碳原子组成的二维材料，它的特殊单原子层结构使其具有许多独特的物理化学性质，成为当前研究的热门课题。
现有许多制备石墨烯的方法，比如固相法的机械剥离法、外延生长法；液相法的氧化还原法、有机合成法、溶剂热法；气相法的化学气相沉积法、电弧放电法等。
石墨烯在超级电容器、锂离子电池、纳米复合物等方面有着广泛的应用。
本文主要是探究电化学还原法制备薄层石墨烯的新方法。
本文利用Hummers法制备了氧化石墨，将所制得的氧化石墨溶解于N，N-二甲基甲酰胺溶液（DMF）中，然后把溶有氧化石墨的DMF溶液涂在导电玻璃表面，利用循环伏安法找出最佳的还原电压，在此恒电压下还原氧化石墨烯制得石墨烯，然后用红外光谱对其进行表征，同时利用紫外可见分光光度仪测试石墨烯的透射率测量石墨烯的厚度，发现我们合成的石墨烯基本为单层。
抽滤法制备石墨烯薄膜及其改性
抽滤法制备石墨烯/银复合薄膜摘要：关键词：0 引言石墨烯是由单层碳原子紧密堆积成二维蜂窝状晶体结构的一种新型碳材料，被认为其他石墨材料，如富勒烯、碳纳米管和石墨的基本结构单元[1]。
2004年，Geim等[2]用撕胶带法从高结晶石墨上剥离少量的单层石墨烯之后，越来越多的人开始研究石墨烯并发现了其一系列的优良性能，如巨大的比表面积，突出的导热性能和力学性能，显著的电导率，优良的吸附性能和高化学热稳定性。
石墨烯在透明导电材料[3]、气敏传感器[4]和超级电容器[5]等方面的科学研究领域的独特性能引起了科研工作者的广泛关注。
石墨烯器件的研发和应用必将给人类社会带来巨大的发展，如何制备大尺寸的石墨烯透薄膜是能否使其走向实际应用的关键所在。
利用氧化石墨烯在水溶液中分散性良好的特点，采用真空抽滤法制备氧化石墨烯薄膜并在氢气气氛中进行高温热处理是一种可行的制备方法。
但由于氧化石墨烯中含有大量的含氧官能团，即使高温热处理之后仍会在产生大量的缺陷，较大程度上影响的石墨烯材料的电子传递性能。
银纳米粒子因为具有很高的表面能和化学活性而显示出独特的、电、光学到等性能，具有广阔的应用前景[6]。
国内研究人员对银纳米颗粒做了深入的研究，制备出多种纳米银复合材料：用银掺杂氧化锌制备的薄膜具有良好的导电性能和光学性质[7]；碳纳米管/银复合材料具有高强、高韧、导电、导热性好、耐磨等特性[8]。
基于此，我们猜测，石墨烯/银复合材料具有良好的导电性能。
本实验以层层抽滤的方法依次抽取氧化石墨烯溶液和纳米银溶胶，具有工艺相对简单，层数可控以及厚度可控等优点。
再在氢气气氛下进行热处理制备出石墨烯/银复合薄膜，并考察了薄膜的组成、形貌和电学性质。
1 实验部分1.1氧化石墨烯的制备采用改进的Hummers法制备一定氧化程度的氧化石墨[9]。
1.2纳米银溶胶的制备[1]Geim A K，Novoselov K S. The rise of graphene[J].Nat. Mater,2007,6(3):183-191[2]Novoselov K S, Geim A K, Morozov S V, et al. Electric field effect in atomically thin carbon films[J ]. Sci., 2004, 306(5696):666-669[3]Lee B R, Kim J W, Kang D W, et al. Highly efficient polymer light-emitting diodes using graphene oxide as hole transport layer [J]. Acs Nano,2012,4:2984-2991[4]Wang J W, Kwak Y, Lee I Y. Highly responsive hydrongen gas sensing by partially reduced graphene oxide thin films at room temperature [J]. Carbon, 2012,50:4061-4067[5]Tamaillarasan P, Ramaprabhu S. Carbon nanotubes-graphene-solidlike ionic liquid layer-based hybrid electrode material for high performance supercapacitor [J]. PhysChem,2012,116:14179-14187[6]朱桂琴，史建公，王万林. 银纳米材料制备和应用进展[J]. 科技导报，2010，28（22）：112-117[7]段理，于晓晨，王卓，樊小勇. 银掺杂ZnO薄膜光电功能材料的研究进展[J].材料导报2010，24（10）：132-142[8]凤仪，袁海龙. 纳米碳管的化学镀银[J]. 功能材料，2004，3（35）：317-319[9]Hummers W S, Offman R E. Preparation of graphene oxide [J]. J Am ChemSoc,1958,80(6):1339。
2024石墨烯技术PPT课件
contents •石墨烯概述•石墨烯制备方法•石墨烯表征技术•石墨烯应用领域•石墨烯产业发展现状与趋势•总结与展望目录石墨烯定义与结构定义结构石墨烯的每个碳原子与周围三个碳原子通过共价键连接，形成稳定的六边形结构。
这种结构使得石墨烯具有出色的力学、电学和热学性能。
石墨烯性质与特点力学性质石墨烯是已知强度最高的材料之一，同时还具有很好的韧性，可以弯曲成各种形状而不断裂。
电学性质石墨烯具有优异的导电性能，电子在其中的移动速度极快，使得石墨烯成为理想的电极材料。
热学性质石墨烯具有极高的热导率，可以快速地将热量从一个区域传递到另一个区域，这使得石墨烯在散热领域具有广阔的应用前景。
光学性质石墨烯对光的吸收率很低，且透光性极好，这使得石墨烯在透明导电薄膜等领域具有潜在的应用价值。
石墨烯发现历程及意义发现历程石墨烯最初是由英国曼彻斯特大学的两位科学家通过机械剥离法从石墨中分离出来的。
这一发现引起了科学界的广泛关注，并开启了石墨烯研究的新篇章。
意义石墨烯的发现不仅打破了二维晶体无法稳定存在的传统认知，而且为材料科学、凝聚态物理以及电子器件等领域的发展带来了新的机遇。
石墨烯的优异性能使得它在能源、环保、医疗、航空航天等领域具有广阔的应用前景，有望引领新一轮的技术革命和产业变革。
机械剥离法01020304原理优点缺点应用领域化学气相沉积法在高温下，碳源气体在催化剂表面分解并沉积形成石墨烯。
可控制备大面积、高质量的石墨烯；与现有半导体工艺兼容。
设备成本高，制备过程中可能产生有毒气体。
透明导电薄膜、电子器件、传感器等。
原理优点缺点应用领域原理优点缺点应用领域氧化还原法利用溶剂将石墨剥离成单层或少层石墨烯，适用于大规模生产。
液相剥离法碳化硅外延法电弧放电法激光诱导法通过高温处理碳化硅晶体，使其表面外延生长出石墨烯，适用于制备高质量石墨烯。
利用电弧放电产生的高温高压条件，将石墨转化为石墨烯，但产量较低。
利用激光束照射石墨表面，诱导出石墨烯，但设备成本较高。