新型材料石墨烯的应用与制备

新型材料石墨烯的应用与制备

摘 要 石墨烯的发现使热力学涨落不允许任何二维晶体在有限温度下存在的理论被重新探讨。其稳定的晶格结构使碳原子具有优秀的材料性质。本文从石墨烯的结构、特性、制备及应用前景等方面加以阐述。

关键词 石墨烯； 二维晶体；最薄；光学性能；纳米材料

在发现石墨烯以前，大多数科学家以为，在现有温度范围内不允许有二维晶体的存在。石墨烯的发现颠覆了这一理论。

1发现石墨烯

本世纪40年代，英国曼彻斯特大学的安德烈.K.海姆等首次制备出石墨烯。研究组将石墨分解成非常小的片状结构，从中剥离出更薄的石墨片层，用胶带固定薄片两侧，撕开胶带，将薄片分为更薄的两片。如此反复，从而得到只剩一层碳原子的结构，获得了石墨烯。

2石墨烯的结构

用相对论量子物理学可以解释其原子尺度上的特殊结构。由于各碳原子间的连接柔软并具韧性，有外力作用时，整个碳原子面像弹簧一样发生形变，不需通过重排来适应外力，保证了结构稳定。这种稳定的晶格结构还使石墨烯具备优秀的导电性。由于强原子作用力，当电子沿轨道运行时，不会因为环境中其他原子或晶格缺陷发生散射。常温下，即使周围碳原子发生碰撞，电子仍能维持其基本特征。

3石墨烯的材料优势

1）比钻石坚硬。原子间的强大作用力使石墨烯成为强度最高的材料。它是材料界最薄的物质：将石墨烯制成约100纳米厚，即可承受近两吨重物品的压力。这种薄而坚韧的特性，将作为添加剂在新型高强度复合材料中发挥广泛应用。

2）优秀的导热、导电及透光性。晶格结构的稳定使石墨烯具有出色的导热性。传统的半导体，由于原子和电子的相互碰撞，会以热量的方式释放能量，普通电脑芯片以此方式损失了70%以上的电能。而石墨烯则不同，其核内力较大，电子运行稳定，受外力能量损失小。石墨烯中电子运行的速度远远超过一般导体中电子运行的速度，为光速的1/300，具有超强的导电性。薄而坚韧的纳米材料几乎是完全透明的，只吸收2.3%的光，将在光学领域有广泛的研究空间。

4石墨烯的应用

石墨烯具有最薄、强度最高、优秀的导热导电性及高的光透过性。这些优点

使其在材料领域，特别是透明导电薄膜的应用中独具优势，这类薄膜在光伏电池及液晶显示屏等方面尤为重要。另外，高效储能器件和高敏传感器等方面，石墨烯也展示出很好的应用前景。它的研究给科学领域提供了一个无限广阔和充满魅力的材料空间。

4.1制作透明电极及光学元件

已商业化规模生产的透明薄膜材料是氧化铟锡 ，因铟是稀有金属 ，制备层沉积需要严格的真空条件，特别是毒性大，其他的取代物亟待被寻找。作为纳米材料界的新星 ， 石墨烯以其厚度最薄、比表面积大、超强的柔韧度，能够在低密度的情况下形成导电网格的特点被作为氧化铟锡最完美的替代材料。其制备成本低、工艺简单，高强度及柔韧性可在纳米尺度内按要求塑形。将石墨烯卷成管状或球形碳纳米管，将在多种领域有重要的应用。

无缺陷的石墨烯几乎是透明的，透光率大于97%。用其制作光学器件，可使制备成本大幅度降低。使用石墨烯作为活性层材料，可实现从紫外线到太赫兹波宽光谱范围内的激光振荡。同时石墨烯的超大比表面积和柔韧性及易功能化等特点还用于制作高柔性触摸面板。其超乎寻常可调控的光学性能形成一个兴趣极高的纳米体系。

4.2超级电容器

石墨烯比多孔碳材料拥有更高的比表面积和电导率。用其制作的电容器，功能远超化学电容。石墨烯电容器质量小、储能大、充电迅速、反复上万次充放电不影响其使用性能，高压下也能稳定放电。与一维纳米材料相比，石墨烯基电子器件可以将整个电路：电极、势垒、分子开关集成在同一片层结构上。制作成本低、功耗小。将为超级计算机技术、高分辨率成像、军事雷达、高频宽带通信领域开辟新的途径。

4.3复合材料

石墨烯拥有独特的机械和电学性能，在纳米增强材料方面有许多新应用。作为添加剂使用，可显著改善聚合物的导电、导热及力学性质。例如制造功能性复合材料，高分子导电材料和高强度多孔陶瓷等。另外，将半导体或金属纳米粒子与纳米级石墨烯层片进行表面制备，可丰富石墨烯的层间结构，减少片层之间的相互作用，阻断团聚，以更好的保持各片层的独立机能，并产生新的协同效应，使性能更稳定，一般的化学修饰剂难以做到这些。石墨烯的加入使复合材料的功能性能多样化，成功吸引了科学研究者的关注，已成为纳米材料界研究的热点。

5石墨烯的制备方法

物理和化学方法是合成石墨烯的主要手段。

1）微机械分离法：用外力把单层晶片从大石墨晶体中分离，获得单层石墨

烯片，片层完整，但尺寸不易控制，重复性差，只能制造实验室使用的小尺寸石墨烯样本；

2）溶剂分离法：将石墨或EG加入水或某种有机溶剂， 借助超声波、加热或气流的作用制备一定浓度的单层或多层石墨烯溶液。其原料成本低，不涉及化学反应过程，操作简单，纯度高。但产率低，片层二次团聚现象严重，稳定剂残留不易去除；

3）化学气相沉积：金属或金属化合物作催化剂，在高温下使反应腔中的含碳气体生成石墨烯前体，沉积在不同衬底上。这是目前工业大规模制备石墨烯所采用的方式。但衬底的选择亟待研究，且制取的石墨烯不具备量子霍尔效应；

4）氧化-还原法：氧化过的石墨借助超声或离心外力分散到溶剂中得到石墨烯前体，再用还原剂回流制备。氧化还原法是目前低成本产业化制备石墨烯的有效方法。可满足工业较大尺寸的石墨烯生产要求。但氧化过的石墨烯不易还原，使其电学性能下降。并且，现阶段采用的还原剂中有些还存在较大毒性，还原后各片层间易发生团聚。所以，无污染的新型还原剂有待于研究并改进。

石墨烯具有优异的透光、导电、导热和整齐的二维结构，稳定性高、比表面积大，可作为高性能纳米复合材料承载许多应用，当前最具前景的应用有太阳能电池、传感器、晶体管等。在未来的研发中也存在许多挑战：提高质量，扩大规模；材料性能有待进一步研究；探索新的应用及跨学科领域，并为进一步工业化的实现而努力。

参考文献

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