石墨烯的制备方法与应用
摘要: 石墨烯是目前发现的唯一存在的二维自由态原子晶体, 它是构筑零维富勒烯、一维碳纳米管、三维体相石墨等sp2 杂化碳的基本结构单元, 具有很多奇异的电子及机械性能。因而吸引了化学、材料等其他领域科学家的高度关注。本文介绍了近几年石墨烯的研究进展, 包括石墨烯的合成、去氧化、化学修饰及应用前景等方面的内容。石墨烯由于其特殊的电学、热学、力学等性质以及在纳米电子器件、储能材料、光电材料等方面的潜在应用,引起了科学界新一轮的热潮。
关键字: 石墨烯, 制备, 应用,氧化石墨烯，传感器
石墨烯的定义
石墨烯是碳原子紧密堆积成单层二维蜂窝状晶格结构的一种碳质新材料，厚度只有0.335纳米,仅为头发的20万分之一，是构建其它维数碳质材料（如零维富勒烯、一维纳米碳管、三维石墨）的基本单元，具有极好的结晶性、力学性能和电学质量。
石墨烯的结构
完美的石墨烯是二维的, 它只包括六角元胞(等角六边形)。
如果有五角元胞和七角元胞存在,那么他们构成石墨烯的缺陷。如果少量的五角元胞细胞会使石墨烯翘曲; 12个五角元胞的会形成富勒烯。碳纳米管也被认为是卷成圆桶的石墨烯;
可见，石墨烯是构建其它维数碳质材料（如零维富勒烯、一维纳米碳管、三维石墨）的基本单元。 单原子层石墨晶体薄膜。
每个原胞中两个碳原子，每个原子与最相邻三个碳原子形成三个σ键。
每个碳原子贡献一个多余p电子，垂直于graphene平面，形成未成键的π电子——良好的导电性。
石墨烯的性能
最薄——只有一个原子厚
强度最高—— 美国哥伦比亚大学的专家为了测试石墨烯的强度，先在一块硅晶体板上钻出一些直径一微米的孔，每个小孔上放置一个完好的石墨烯样本，然后用一个带有金刚石探头的工具对样本施加压力。结果显示，在石墨烯样品微粒开始断裂前，每100纳米距离上可承受的最大压力为2．9 微牛左右。按这个结果测算，要使1 米长的石墨烯断裂，需要施加相当于55 牛顿的压力，也就是说，用石墨烯制成的包装袋应该可以承受大约两吨的重量。
石墨烯的制备方法概述
摘要 石墨烯具有独特的结构和优异的性能, 近年来在化学、物理和材料学界引起了广泛的研究兴趣，并且在石墨烯的制备上已取得了不少的进展。本文就物理方法和化学方法两方面概述了石墨烯的制备方法, 比较了各种方法的优缺点，并对它的未来发展做了展望。
关键词 石墨烯；制备方法
因诺贝尔奖而骤然走进大众视野的石墨烯，是人类已知的强度最高的物质。石墨烯是单原子层的石墨薄膜，其晶格是由碳原子构成的二维蜂窝结构。该材料具有许多新奇的物理特性，它是目前已知在常温下导电性能最好的材料，电子在其中的运动速度达到了光速的1/300，远远超过了一般导体。此外，还可用石墨烯制造复合材料、电池/超级电容、储氢材料、场发射材料、超灵敏传感器等。
目前石墨烯的制备方法有很多，本文主要分为物理方法和化学方法两大类来讨论。
1 物理法制备石墨烯
物理方法通常是以廉价的石墨或膨胀石墨为原料，通过机械剥离法、取向附生法、液相或气相直接剥离法来制备单层或多层石墨烯。这些方法原料易得, 操作相对简单，合成的石墨烯的纯度高、缺陷较少。
1.1机械剥离法
机械剥离法或微机械剥离法是最简单的一种方法，即直接将石墨烯薄片从较大的晶体上剥离下来。Novoselovt 等[1]于2004年用一种极为简单的微机械剥离法成功地从高定向热解石墨上剥离并观测到单层石墨烯，验证了单层石墨烯的独立存在。具体工艺如下：首先利用氧等离子在1 mm厚的高定向热解石墨表面进行离子刻蚀，当在表面刻蚀出宽20 μm—2 mm、深5 μm的微槽后，用光刻胶将其粘到玻璃衬底上，再用透明胶带反复撕揭，然后将多余的高定向热解石墨去除并将粘有微片的玻璃衬底放入丙酮溶液中进行超声，最后将单晶硅片放入丙酮溶剂中，利用范德华力或毛细管力将单层石墨烯“捞出”。
但是这种方法存在一些缺点，如所获得的产物尺寸不易控制，无法可靠地制备出长度足够的石墨烯，因此不能满足工业化需求。 1.2取向附生法—晶膜生长
石墨烯的制备方法及表征研究李惠茗,张鹏云,李春新
(甘肃省化工研究院,甘肃兰州 730020)
摘要:石墨烯是一种新型二维碳纳米材料,具有许多独特的理化性质。本文重点综述了目前石
墨烯制备的主要方法,分析了各种制备方法的特点,对石墨烯表征手段进行了概述,并展望了其
发展前景。
关键词:石墨烯;制备;表征
中图分类号:O613.71 文献标识码:A 文章编号:1671-5322(2010)03-0032-07
收稿日期:2010-06-14
基金项目:甘肃省精细化学品合成工艺和工程技术创新平台研究资助项目(094TTPA001)
作者简介:李惠茗(1975-),女,河北石家庄市人,工程师,主要研究方向为精细化工。 每隔几年,总会有一些具有特殊性质的材料
被发现并引起科学界的轰动,比较典型的例子是
高温超导体及碳纳米管的发现。而于2004年被
发现的石墨烯[1],由于具有许多特殊的性质,一
经发现即毫无疑问地成为目前材料科学界的研究
热点。它的出现彻底颠覆了70年前由Landau和
Peierls提出的绝对二维晶体是热力学不稳定的且
不可能存在的传统理论。
石墨烯是由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。因为可以由石墨
烯卷成零维的富勒烯及一维的碳纳米管以及堆积
成三维的石墨,所以它被称之为“碳材料之母”。
石墨烯结构非常稳定,各碳原子之间的连接非常
柔韧,当施加外部机械力时,碳原子面就弯曲变
形,从而使碳原子不必重新排列来适应外力而保
持结构稳定。这种稳定的晶格结构使碳原子具有
优秀的导热性[3000W/(m・K)]。石墨烯最大
的特性是其电子的运动速度达到了光速的1/
300,远远超过了电子在一般导体中的运动速度,
是目前已知材料中电子传导速率最快的,其室温
下的电子迁移率可达15000cm2/(V・s)[2]。石
墨烯还表现出了完美的量子隧道效应、零质量的
狄拉克费米子行为及异常的半整数量子霍尔效
应[3]。石墨烯还是人类已知强度最高的物质,比
1.1石墨烯概述
1.1.1石墨烯结构石墨烯(Graphene)作为一种平面无机纳米材料，在物理、化学、科技、数码方面的发展都是极具前景的。它的出现为科学界带来极大的贡献，机械强度高，导热和导电功能极具优势，原材料来源即石墨也相当丰富，是制造聚合复合物的最佳无机纳米技术。由于石墨烯的运用很广泛，导致在工业界的发展存在很严重的一个问题就是其制作过程规模浩大，所以应该将其合理地分散到相应的聚合物内部，达到均匀分布的效果，同时平衡聚合物之间的作用力。
石墨烯的内部结构是以碳原子以sp2 杂化而成的，是一种单原子结构的平面晶体，其以碳原子为核心的蜂窝状结构。一个碳原子相应的只与非σ键以外的三个碳原子按照相应的顺序连接，而其他的π则相应的与其他的的碳原子的π电子有机地组成构成离域大π键，在这个离域范围内，电子的移动不受限制，因为此特性使得石墨烯导电性能优异。另一方面，这样的蜂窝状结构也是其他碳材料的基础构成元素。如图 1-1 所示，单原子层的最外层石墨烯覆盖组成零维的富勒烯，任何形状的石墨烯均可以变化形成壁垒状的管状[1]。因为在力学规律上，受限于二维晶体的波动性，所以任何状态的石墨烯都不是平整存在的，而是稍有褶皱，不论是沉积在最底层的还是不收区域限制的。，如图 1-2 所示，蒙特卡洛模拟（KMC）做出了相应的验证 [3]。上面所提的褶皱范围在横向和纵向上都存在差异，这种微观褶皱的存在会在一定程度上引起静电，所以单层的会很容易聚集起来。同时，褶皱的程度也会相应的影响其光电性能 [3-6]
图 1-1. 石墨烯:其他石墨结构碳材料的基本构造单元，可包裹形成零维富勒烯，卷曲形成一维碳纳米管，也可堆叠形成三维的石墨[7]。
Figure 1-1. Graphene: the building material for other graphitic carbon
materials. It can be wrapped up into 0D buckyballs, rolled into 1D
