合成化学综述论文
——石墨烯的合成
姓名：常俊玉
学号：1505120528
学院：化学化工学院
班级：应化1204班
时间：2015-4-19
石墨烯合成综述
应化1204 常俊玉1505120528
摘要：由于石墨烯优异的电学、光学、机械性能以及石墨烯广泛的应用前景，自英国曼彻斯特大学物理学教授Geim 等得到了稳定存在的石墨烯以来，掀起对碳材料的又一次研究热潮。这10年来，石墨烯的制备方法上取得了重大进展。本文对石墨烯的机械剥离法、化学气相沉积法、氧化还原法、有机合成法四种制备方法进行了综述，比较可以发现各种合成方法有其优缺点，实际生产可以根据实际情况选择对应方法。
关键词：石墨烯、机械剥离法、化学气相沉积法、氧化还原法、有机合成法一.引言
石墨烯是由碳原子通过sp2 杂化，构成的单层蜂窝状二维网格结构。石墨烯是构成其他碳同素异形体的基本单元，它可折叠成富勒烯（零维），卷曲成碳纳米管（一维），堆垛成石墨（三维），如图一所示[1]。石墨烯的理论研究已经有60 多年，当时主要用来为富勒烯和碳纳米管等结构构建模型，没有人认为石墨烯会稳定存在，因为物理学家认为，热力学涨落不允许二维晶体在有限温度下存在。
2004 年，英国曼彻斯特大学物理学教授Geim 等，用胶带反复剥离高定向热解石墨的方法，得到了稳定存在的石墨烯[2]。该发现立即引起了物理学家、化学家和材料学家的广泛关注，掀起了继富勒烯和碳纳米管之后碳材料的又一次研究热潮。由于石墨烯优异的电学、光学和机械性能，以及石墨烯广泛的应用前景，石墨烯的发现者Geim 教授和Novoselov 博士被授予2010 年度诺贝尔物
理学奖。
图一：石墨烯是构成其他维度碳材料的基本单元
石墨烯可以折叠成零维的富勒烯，卷曲成一维的碳纳米管和堆垛成三维的石墨。
石墨烯的发现，对当时的物理认知产生了巨大冲击，同时点燃了美好希望。作为一种独特的二维晶体，石墨烯有着非常优异的性能：具有超大的比表面积，理论值为2630m2/g；机械性能优异，杨氏模量达1.0TPa；热导率为5300W·m-1·K-1 ，是铜热导率的10 多倍；几乎完全透明，对光只有2.3%的吸收；在电和磁性能方
面具有很多奇特的性质，如室温量子霍尔效应、双极性电场效应、铁磁性、超导性及高的电子迁移率[3]。这些优异的性质，使得石墨烯在晶体管、太阳能电池、传感器、超级电容器、场发射和催化剂载体等领域有着良好的应用前景。制备高质量的石墨烯和促进石墨烯的应用，是石墨烯领域的研究热点。本文综述了近些年在石墨烯的制备方法方面取得的进展。
二．石墨烯制备方法
从发现稳定存在的石墨烯到现在的6 年多时间里，石墨烯在制备方面取得了长足的进步，目前的研究热点已经从获得石墨烯发展到可控地制备石墨烯，如控制石墨烯的形状、尺寸、层数、元素掺杂和聚集形态等[4]。目前制备石墨烯
的方法有很多，主要包括机械剥离法、剖开碳纳米管法、化学气相沉积法、还原氧化石墨法和有机合成等方法。以下对石墨烯的机械剥离法、化学气相沉积法、氧化还原法、有机合成法四种制备方法进行了综述。
2.1机械剥离法
石墨是层状堆垛结构，层与层之间以较弱的范德华力结合，简单施加外力即可将石墨的层状结构分离。机械剥离法是利用机械力，将石墨烯从高定向热解石墨晶体表面剥离下来的方法。2004 年Geim 和Novoselov 等就是用透明胶带反复剥离高定向热解石墨获得石墨烯[2]，从而开启了碳材料发展的新纪元。该方法
得到的石墨烯宽度一般在几微米至几十微米，最大可达到毫米量级，肉眼可观察到。
该方法设备简单，成本较低，同时由于高定向热解石墨内部的缺陷很少，制备的石墨烯质量较好。但是这种方法制备石墨烯的偶然性很大，对层数的控制较为困难，机械剥离法实现工业化生产还有很大的困难。
原料石墨可以采用天然鳞片石墨，如果用高定向热解石墨为原料，可以进行以下操作[5]：
（1）首先采用离子束在1mm厚的高定向热解石墨表面进行氧化等离子处理，在表面刻蚀出宽20μm—2mm，深5μm的微槽。
（2）将其用光刻胶粘到玻璃衬底上，然后再用透明胶带反复撕揭，将多余的高定向热解石墨去除。
（3）将粘有石墨薄片的玻璃衬底放入丙酮溶液中超声；
（4）将单晶硅片放入丙酮溶剂中，将单层石墨烯“捞出”，在范德华力或毛细力作用下，单层石墨烯会吸附在单晶硅片上。
另一种机械剥离法简单有效：将石墨表面在另一个固体表面上摩擦，使石墨烯片附着在固体表面上，但尺寸不宜控制。此方法操作简单，但产量极低。
2.2 化学气相沉积法
2006 年，Somani 等[6]用化学气相沉积法，以樟脑为碳源，在850°C 的高温条件下，在镍箔上沉积碳原子，由镍箔在炉腔中自然冷却制备出石墨烯，该方法获得的石墨烯较厚，约有35 层。此法虽然没有制得单层的石墨烯，但为石墨烯的制备提供了新的思路和手段。
Kim 等[7]在1000°C 的高温条件下通入甲烷，在金属镍上沉积碳原子，然后在氩气保护下，将镍以大约10°C/s 的速度冷却至室温，从而在镍薄膜表面析
出一层石墨烯。通过一定的溶液（如FeCl3溶液）将镍基底刻蚀掉，即得到漂浮
在液面上的石墨烯，有利于石墨烯的转移和应用。Kim 等的工作，促进了石墨烯的制备和转移，不过由于镍对碳的溶解能力较大，他们制备的石墨烯仍然以3~5 层为主，还没有实现单层石墨烯的可控制备。
Li 等[8]换用溶解碳能力比较低的金属铜作为基底，用类似于Kim 等的工艺条件，制备了大面积的石墨烯，单层石墨烯的比例约占95%。同时他们发
现，石墨烯的生长是自我限制的（self-limiting），制备样品的层数不会因为碳源进给量的增加而增加。化学气相沉积法有利于石墨烯的可控制备，Qu 等[9]用甲烷为碳源在氨气气氛下，用类似于Kim 等的方法制备了氮掺杂的石墨烯[9]。通
过控制甲烷和氨气的比例，有望实现对石墨烯氮掺杂浓度的控制，这对石墨烯的应用是非常有利的。
Wei等[10]以ZnS 为模板，用化学气相沉积法制备了石墨烯。ZnS 可以催化石墨烯的生长，通过控制ZnS 模板的形状，即可实现对石墨烯形状的控制，这种方法的可控性和可扩展性很好，将对石墨烯的应用产生重大的推动作用。
整体讲化学气相沉积法制备的石墨烯质量较高，可控性较好，同时易于得到完整薄膜状的石墨烯，利于石墨烯在太阳能和场发射等领域的应用，但是这种方法制备的石墨烯的量比较少，不利于石墨烯在超级电容器等领域的应用。
中国科学院沈阳金属所成会明课题组[11]以30μm 直径的镍颗粒为基板、甲烷为碳源，生长5min 后，用快速冷却的方法制备了5mg 的石墨烯，这种方法虽然石墨烯的产量较大，不过制备的石墨烯是宏观的块体结构，而不是薄膜状结构，使得化学气相沉积法制备的石墨烯失去了在太阳能和场发射电极等领域的应用
优势。
常用制备方法：化学气相沉积法制备石墨烯多采用有机气体（如甲烷、乙烯等）、液体（如乙醇）或固态（如樟脑、蔗糖）。下面以乙醇为例，介绍化学气相沉积法制备石墨烯的具体工艺步骤。
用于制备石墨烯的化学气相沉积装置如图所示，反应装置主体部分为电阻炉，以长度为1.5m，内径为35mm的石英管为反应室。以乙醇为碳源，以金属箔（本实验采用铜箔和镍箔）为基底。反应溶液在精密流量泵的带动下通过毛细管输入反应室中。碳源在高温反应区中分解出碳原子并在基底上沉积并逐渐生长成连续的石墨烯薄膜。
制备石墨烯薄膜的具体实验操作如下[5]：
（1）准备色谱纯（99.9%）的乙醇溶液为碳源；
（2）将金属箔放入电炉的加热区中央，密封反应室；
（3）通入氩气，流量为200mL/min，加热反应室温度至1000℃；
（4）保持氩气流量200mL/min不变，保温一段时间，对金属箔进行高温
