高等无机课程论文石墨烯的制备与应用综述本科论文Word文档下载推荐.docx
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2014年11月21日
专业：
化学
学号：
2014201002
姓名：
成绩：
目录
摘要2
Abstract2
第1章前言3
1.1石墨烯的制备3
1.2石墨烯的结构和特性3
第2章石墨烯的制备方法5
2.1氧化石墨-还原法5
2.2化学气相沉积法6
2.3加热SiC法7
2.4溶剂剥离法7
第3章石墨烯的表征8
第4章石墨烯的应用8
4.1超级电容器9
4.2代替硅生产超级计算机9
4.3触摸屏9
4.4光学调制器10
4.5复合材料11
4.6基因电子测序11
4.7其它应用11
第5章结论和展望12
参考文献13
石墨烯的制备与应用综述
摘要
石墨烯是碳的又一同素异形体，具有独特的二维结构和优异的力学、电学、光学、热学等性能，成为继富勒烯和碳纳米管之后的又一研究热点。
本文从石墨烯的发现、结构、制备、特性及应用几个方面出发，对石墨烯做了一次比较简单，全面的综述。
关键字：
石墨烯；
制备；
应用
Summaryofpreparationandapplicationofgraphene
Abstract
grapheneisanotherisomerofcarbonwhichhasauniquetwo-dimensionalstructureandexcellentmechanical,electrical,optical，thermalpropertieshasbecomingaresearchhotspotafterthefullerenesandcarbonnanotubes.Thispaperintroduceddiscovery,structure,preparation,propertiesandapplicationsofseveralaspectsofgraphenes,madearelativelysimple,comprehensivereview.
Keywords:
graphene;
preparing;
application
第1章前言
1.1石墨烯的制备
石墨烯是由sp2轨道杂化的碳原子按正六边形紧密排列成蜂窝状晶格的单层二维平面结构。
然而石墨烯一直被认为是假设性的结构，由于热力学不稳定性无法单独稳定存在这种二维晶体材料。
石墨烯可以卷曲成零维的富勒烯、一维的碳纳米管并堆积成三维的石墨。
直至2004年，英国曼彻斯特大学两位科学家安德烈·
杰姆和克斯特亚·
诺沃消洛夫发现他们能用一种非常简单方法得到越来越薄的石墨薄片。
他们从石墨中剥离石墨片，然后将薄片两面粘在一种特殊的胶带上，撕开胶带，就能把石墨片一分为二。
不断地这样的操作，于是薄片越来越薄，最后，他们得到了仅由一层碳原子构成薄片，这就是石墨烯。
两人也因“在二维石墨烯材料的开创性实验”为由，共同获得2010年诺贝尔物理学奖。
1.2石墨烯的结构和特性
石墨烯的基本结构单元为有机材料中最稳定的苯六元环，是目前最理想的二维纳米材料。
理想的石墨烯结构是平面六边形点阵，可以看作是一层被剥离的石墨分子，每个碳原子均为sp2杂化，并贡献剩余一个p轨道上的电子形成大π键，π电子可以自由移动，赋予石墨烯良好的导电性。
二维石墨烯结构可以看是形成所有sp2杂化碳质材料的基本组成单元。
不仅如此，石墨烯还可以看作是形成所有sp2杂化碳质材料的基本组成单元。
如图：
石墨可以看成是多层石墨烯片堆垛而成，碳纳米管可以看作是卷成圆筒状的石墨烯。
当石墨烯的晶格中存在五元环的晶格时，石墨烯片会发生翘曲,富勒球可以便看成通过多个六元环和五元环按照适当顺序排列得到的。
实际中的石墨烯并不能有如此完美的晶形。
2007年，J.C.Meyer等人在TEM中利用电子衍射对石墨烯进行研究时，发现了一个有趣的现象：
当电子束偏离石墨烯表面法线方向入射时，可以观察到样品的衍射斑点随着入射角的增大而不断展宽。
并且衍射斑点到旋转轴的距离越远,其展宽越严重。
这一现象在单层样品中最为明显,在双层样品中显著减弱，在多层样品中则观察不到。
J.C.Meyer等人对他们观察到的这一现象提出了理论模型：
石墨烯并不是绝对的平面，而是存在一定的小山丘似的起伏。
随后，Meyer等人又研究了单层石墨烯和双层石墨烯表面的褶皱，发现单层石墨烯表面褶皱程度明显大于双层石墨烯，褶皱程度随着石墨烯层数而减小。
Meyer等推测这是因为单层石墨烯为降低其表面能，由二维向三维形貌转换，褶皱是二维石墨烯存在的必要条件。
石墨烯中各碳原子间的连接非常柔韧，当施加外部机械力时，碳原子面就会弯曲变形，使碳原子不必重新排列来适应外力而保持晶体结构稳定。
这种结构使得石墨烯具有很高的热导率（5000W·
m·
K﹣1）和很大的杨氏模量（1.0TPa）。
石墨烯的理论比表面积高达2600m2/g。
此外石墨烯还具有很高的光透射率（97.7%）。
石墨烯最大的特性是其电子运动速度达到光速的1/300，室温下的电子迁移率达15000cm2/（V·
s），是目前已知材料中电子传导速率最快的。
石墨烯目前是世上最薄却也是最坚硬的纳米材料，电阻率只约10-6Ω·
cm，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，电子迁移的速度极快，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。
由于石墨烯实质上是一种透明、良好的导体，也适合用来制造透明触控屏幕、光板、甚至是太阳能电池。
第2章石墨烯的制备方法
目前有关石墨烯的制备方法，主要有物理方法和化学方法。
物理方法通常是以廉价的石墨或膨胀石墨为原料，通过微机械剥离法、液相或气相直接剥离法来制备单层或多层石墨烯，此法原料易得，操作相对简单，合成的石墨烯的纯度高、缺陷较少，但费时、产率低下，不适于大规模生产。
目前实验室用石墨烯主要多用化学方法来制备。
下面主要介绍常用的化学制备石墨烯的方法。
2.1氧化石墨-还原法
将氧化石墨与水以1mg/mL的比例混合，用超声波振荡至溶液清晰无颗粒状物质，加入适量肼在100℃回流24h，产生黑色颗粒状沉淀，过滤、烘干即得石墨烯。
这种方法制备的石墨烯为独立的单层石墨烯片，产量高，应用广泛。
石墨的氧化方法主要是用无机强质子酸（如浓硫酸、发烟HNO3或它们的混合物）处理原始石墨。
氧化剂的浓度和氧化时间对制备的石墨烯片的大小及厚度有很大影响，因此，氧化剂浓度及氧化时间需经过仔细筛选。
还原的方法有化学还原法、热还原法、电化学还原法等。
化学还原法中常用的还原剂有硼氢化钠、肼等，化学还原法可有效地将石墨烯氧化物还原成石墨烯，除去碳层间的各种含氧基团，但得到的石墨烯易产生缺陷，因而其导电性能达不到理论值。
除化学还原外，也可通过电化学方法将石墨氧化物还原成石墨烯。
将涂覆有石墨氧化物片的基底（如石英）置于磷酸盐缓冲溶液中（pH=4.12）将工作电极（玻碳电极）直接与7μm厚的石墨氧化物片膜接触，控制扫描电位从-0.6至-1。
2V进行线性伏安扫描，即可将石墨氧化物还原成石墨烯，该方法所得到的石墨烯中C和O的原子比为4。
23%，低于化学还原法制得的石墨烯中C和O的原子比（约7.09%）。
热还原法是在N2或Ar气气氛中对石墨氧化物进行快速高温热处理,一般温度为1000℃,升温速率大于2000℃/min使石墨氧化物迅速膨胀而发生剥离，同时可使部分含氧基团热解生成CO2，从而得到石墨烯。
该方法制备的石墨烯中的C和O的比一般约为10,高于用化学还原法制备的石墨烯中C和O的比。
除上述方法外，还可通过在光催化剂TiO2的存在下紫外光照射还原以及N2气氛下氙气灯的快速闪光光热还原石墨氧化物得到石墨烯。
2.2化学气相沉积法
化学气相沉积（CVD）法提供了一种可控制备石墨烯的有效方法，它是将平面基底（如金属薄膜、金属单晶等）置于高温可分解的前驱体（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。
化学气相沉积方法是制备大尺寸、高质量石墨烯的最省钱方法之一，可以与现有的半导体制造工艺兼容。
2.3加热SiC法
通过加热单晶6H-SiC脱除Si，从而得到在SiC表面外延的石墨烯。
将表面经H2O2蚀刻后的SiC在高真空下通过电子轰击加热到1000℃以除掉表面的氧化物，升温至1250℃～1450℃，恒温1～20min，形成石墨烯薄片，其厚度由加热温度决定。
这种方法得到的石墨烯有两种，物理性质受SiC衬底的影响很大，一种是生长在Si层上的石墨烯，由于和Si层接触，这种石墨烯的导电性受到较大影响，而生长在C层上的石墨烯则有着极为优良的导电能力。
但这种方法制造的石墨烯难以被从SiC衬底上分离出来，不能成为大量制造石墨烯的方法。
2.4溶剂剥离法
溶剂剥离法是最近两年才提出的,它的原理是将少量的石墨分散于溶剂中,形成低浓度的分散液,利用超声波的作用破坏石墨层间的范德华力,此时溶剂可以插入石墨层间,进行层层剥离,制备出石墨烯。
此方法不会像氧化-还原法那样破坏石墨烯的结构,可以制备高质量的石墨烯。
发现适合剥离石墨的溶剂最佳表面张力应该在40～50mJ/m的平方,并且在氮甲基吡咯烷酮中石墨烯的产率最高（大约为8%）,电导率为6500S/m。
而且发现高定向热裂解石墨、热膨胀石墨和微晶人造石墨适合用于溶剂剥离法制备石墨烯。
溶剂剥离法可以制备高质量的石墨烯,整个液相剥离的过程没有在石墨烯的表面引入任何缺陷,为其在微电子学、多功能复合材料等领域的应用提供了广阔的应用前景。
唯一的缺点是产率很低,限制它的商业应用。
石墨烯的制备方法还有很多，如化学分散法，溶剂热法，高温还原、光照还原、微波法、电弧法、电化学法等等。
第3章石墨烯的表征
石墨烯的表征方法：
原子力显微镜、光学显微镜、拉曼光谱、XR、原子力显微镜（AFM）
由于单层石墨烯厚度只有0.335nm，在扫描电镜（SEM）中很难观察到，原子力显微镜是确定石墨烯结构最直接的办法。
光学显微镜单层石墨烯附着在表面覆盖着一定厚度（300nm）的SiO2层Si晶片上，可以在光学显微镜下观测到。
这是因为单层石墨层和衬底对光线产生的干涉有一定得对比度。
受空气-石墨层-SiO2层间的界面影响。
拉曼光谱拉曼光谱的形状、宽度和位置与其测试的物体层数有关，为测量石墨烯层数提供了一个高效率、无破坏的表征手段。
石墨烯和石墨本体一样在1580cm（G峰）和2700cm（2峰）2个位置有比较明显的吸收峰，相比石墨本体，石墨烯在1580cm处的吸收峰强度较低，而在2700cm处的吸收峰强度较高，并且不同层数的石墨烯在2700cm处的吸收峰位置略有移动。
第4章石墨烯的应用
石墨烯的应用范围广阔。
根据石墨烯超薄，强度超大的特性，石墨烯可被广泛应用于各领域，比如超轻防弹衣，超薄超轻型飞机材料等。
根据其优异的导电性，使它在微电子领域也具有巨大的应用潜力。
石墨烯有可能会成为硅的替代品，制造超微型晶体管，用来生产未来的超级计算机，碳元素更高的电子迁移率可以使未来的计算机获得更高的速度。
另外石墨烯材料还是一种优良的改性剂，在新能源领域如超级电容器
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