材料科學(xué)論文

石墨烯的最新研究進(jìn)展及應(yīng)用摘要：石墨烯以優(yōu)越的性能和獨(dú)特的二維結(jié)構(gòu)成為研究的熱點(diǎn)，本文以材料四要素來分析石墨烯的加工制備，各種熱學(xué)，力學(xué)，電學(xué)，光學(xué)性能，由于單純石墨烯的使用效能在單品中作用有限，因此另加介紹了石墨烯復(fù)合材料的制備和性能。由于中國科學(xué)家在石墨炔也取得突破，所以也附加介紹以用來比較石墨烯的特點(diǎn)。石墨烯的發(fā)現(xiàn)；石墨烯(是從石墨材料中剝離出來、由碳原子組成的只有一層原子厚度的二維晶體。2004年，英國曼徹斯特大學(xué)物理學(xué)家安德烈?蓋姆和康斯坦丁?諾沃肖洛夫，成功從石墨中分離出石墨烯，證實它可以單獨(dú)存在，兩人也因此共同獲得2010年諾貝爾物理學(xué)獎。石墨烯是當(dāng)今世界上最薄的材料，也是世界上導(dǎo)電性最好的材料，電子在其中的運(yùn)動速度達(dá)到了光速的1/300，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了電子在一般導(dǎo)體中的運(yùn)動速度。石墨烯具有特殊的單原子層結(jié)構(gòu)和新奇的物理性質(zhì)：強(qiáng)度達(dá)130GPa、熱導(dǎo)率約5000J/(m?K?s)、禁帶寬度幾乎為零、載流子遷移率達(dá)到2x105cm2/(V?s)、高透明度(約97.7%)、比表面積理論計算值為2630m2/g,石墨烯的楊氏模量(1100GPa)和斷裂強(qiáng)度(125GPa)與碳納米管相當(dāng),它還具有分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)、量子霍爾鐵磁性和零載流子濃度極限下的最小量子電導(dǎo)率等一系列性質(zhì)。最近幾年國外對石墨烯的研究如火如荼的進(jìn)行，國內(nèi)也引起強(qiáng)大的反響。因此結(jié)合材料的知識，對其研究進(jìn)行簡略的介紹。(一)石墨烯的制備石墨烯在實驗室中是在2004年，當(dāng)時，英國曼徹斯特大學(xué)的兩位科學(xué)家安德烈?杰姆和克斯特亞?諾沃消洛夫發(fā)現(xiàn)他們能用一種非常簡單的方法一機(jī)械剝離法得到越來越薄的石墨薄片。他們從高定向熱解石墨中剝離出石墨片，然后將薄片的兩面粘在一種特殊的膠帶上，撕開膠帶，就能把石墨片一分為二。不斷地這樣操作，于是薄片越來越薄，最后，他們得到了僅由一層碳原子構(gòu)成的薄片，這就是石墨烯。這以后，制備石墨烯的新方法層出不窮，晶體外延生長法、化學(xué)氣相沉積法、液相直接剝離法以及高溫脫氧和化學(xué)還原法等。我國的科研工作者通過化學(xué)氣相沉積法，利用烴類作為碳源，通過化學(xué)氣相沉積把單層碳原子附在金屬表層，這是一種可以為工業(yè)大規(guī)模制取石墨烯的方法。化學(xué)氣相沉積法相比，等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法可在更低的沉積溫度和更短的反應(yīng)時間內(nèi)制備出單層石墨烯。此外晶體外延生長法通過加熱單晶6H-SiC脫除Si,從而得到在5憶表面外延生長的石墨烯，但這種方法無法獲得大規(guī)模，層面單一的石墨烯。氧化石墨還原法,成為實驗室制備石墨烯最簡單的方法。（二）石墨烯的優(yōu)秀性能力學(xué)性能石墨烯具有完美的二維晶體結(jié)構(gòu)，它的晶格是由六個碳原子圍成的六邊形，厚度為一個原子層。碳原子之間由。鍵連接，結(jié)合方式為sp2雜化，這些。鍵賦予了石墨烯極其優(yōu)異的力學(xué)性質(zhì)和結(jié)構(gòu)剛性。石墨烯的硬度比最好的鋼鐵強(qiáng)100倍，甚至還要超過鉆石。電學(xué)性能石墨烯最重要的性質(zhì)之一就是它獨(dú)特的載流子特性和無質(zhì)量的狄拉克費(fèi)米子屬性。石墨烯的價帶和導(dǎo)帶部分相重疊于費(fèi)米能級處,是能隙為零的二維半導(dǎo)體,載流子可不通過散射在亞微米距離內(nèi)運(yùn)動,為目前發(fā)現(xiàn)的電阻率最小的材料。石墨烯內(nèi)部電子輸運(yùn)的抗干擾能力很強(qiáng)，其電子遷移率在室溫下可超過15000cm2/(V.s)[46],而當(dāng)載流子密度低于5x109cm-2時，低溫懸浮石墨烯的電子遷移率首次被發(fā)現(xiàn)可以接近200000cm2/(V?s)。單層石墨烯中載流子遷移率幾乎不受化學(xué)摻雜和溫度的影響。因其電阻率極低，電子遷移的速度極快，因此被期待可用來發(fā)展更薄、導(dǎo)電速度更快的新一代電子元件或晶體管。光學(xué)性能單層懸浮石墨烯的白光吸收率是2.3%,而且吸收率隨著層數(shù)的變化呈線性增加熱學(xué)性能單層懸浮石墨烯的室溫?zé)醾鲗?dǎo)率可達(dá)到3000?5000W/(m-K)，石墨烯的熱導(dǎo)率是如今在電子領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的銅的2倍和硅的50倍。(三)石墨烯的復(fù)合材料基于石墨烯的復(fù)合材料是石墨烯應(yīng)用領(lǐng)域中的重要研究方向,其在能量儲存、液晶器件、電子器件、生物材料、傳感材料和催化劑載體等領(lǐng)域展現(xiàn)出了優(yōu)良性能,具有廣闊的應(yīng)用前景。目前石墨烯復(fù)合材料的研究主要集中在石墨烯聚合物復(fù)合材料和石墨烯基無機(jī)納米復(fù)合材料上,因此本文對石墨烯復(fù)合材料的最新研究進(jìn)展做詳細(xì)介紹。石墨烯聚合物

根據(jù)石墨烯與聚合物的相互作用方式不同,可將石墨烯聚合物復(fù)合材料分為石墨烯填充聚合物復(fù)合材料、層狀石墨烯聚合物復(fù)合材料和功能化聚合物復(fù)合材料等。3.1．1石墨烯填充聚合物復(fù)合材料通過溶液混合、熔融共混和原位聚合等方法，我們可以來制備石墨烯復(fù)合材料，石墨烯的分散性和聚合物基體的相互作用是影響復(fù)合材料性能的主要因素。例如通過溶液混合制成的石墨烯復(fù)合材料聚乙烯醇的力學(xué)性質(zhì)得到很大改善，抗拉強(qiáng)度是原來的1,5倍，楊氏模量提高10倍。這說明利用溶液混合制成的石墨烯復(fù)合材料的分散性比較好，所以其力學(xué)性能比較好。與之相比，熔融共混法比較經(jīng)濟(jì)簡單，不需要想溶液混合所需的昂貴分散液。利用熔融共混法制成的聚對苯二甲酸石墨烯復(fù)合材料，該復(fù)合材料利用石墨烯作為填充物，使其電導(dǎo)性大大提高。然而在實際工業(yè)生產(chǎn)中，聚合物的粘度卻會影響熔融狀態(tài)下石墨烯與對苯二甲酸的結(jié)合，所以我采用原位聚合的方法，發(fā)現(xiàn)合成的化合物熱穩(wěn)定性提高。所以我們在使用合成填充類石墨烯復(fù)合材料要充分考慮經(jīng)濟(jì)性，產(chǎn)品的熱穩(wěn)定性。3.1．2層狀石墨烯聚合物復(fù)合材料3.1．2層狀石墨烯聚合物復(fù)合材料層狀石墨烯聚合物復(fù)合材料是指石墨烯的衍生物和聚合物合成層狀復(fù)合材料，其可應(yīng)用于定向負(fù)載承重膜和光伏器件等領(lǐng)域。3.1.3功能化聚合物復(fù)合材料石墨烯及其衍生物也可通過聚合物修飾的共價或非共價功能化形成功能化石墨烯聚合物復(fù)合材料。石墨烯衍生物的共價功能化主要是通

過聚合物官能團(tuán)和氧化石墨烯表面的含氧官能團(tuán)發(fā)生反應(yīng)，而發(fā)生反應(yīng)的共價界面可以提高復(fù)合材料的力學(xué)和熱學(xué)性能。以聚甲基甲酸乙酯為例，利用石墨烯復(fù)合材料的共價功能，其力學(xué)性能得到改善，楊氏模量提高7倍，硬度提高50%，抗拉強(qiáng)度提高74%，此外利用石墨烯衍生物的共價合成的聚合物其熱穩(wěn)定性和導(dǎo)電性也得到明顯提高。非共價功能化是通過范德瓦爾斯力、靜電相互作用和n-n堆積作用對石墨烯表面進(jìn)行修飾而不改變它的化學(xué)結(jié)構(gòu),此方法可提高復(fù)合材料的電學(xué)、光學(xué)特性和可溶性。利用n-n堆積非共價修飾的石墨烯薄片制備了多功能聚合物納米復(fù)合材料,研究發(fā)現(xiàn)功能化石墨烯的引入提高了復(fù)合材料的儲能模量、玻璃化轉(zhuǎn)變溫度和電導(dǎo)率。3.2石墨烯基無機(jī)納米復(fù)合材料3.2石墨烯基無機(jī)納米復(fù)合材料將無機(jī)材料（金屬納米材料、半導(dǎo)體和絕緣納米材料）分散在石墨烯納米層表面可合成石墨烯基無機(jī)納米復(fù)合材料。無機(jī)納米粒子可減小石墨烯片層間的相互作用,而石墨烯與特定納米粒子相結(jié)合,使該類復(fù)合材料在催化劑、光學(xué)等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。（四）中國科學(xué)家在石墨材料領(lǐng)域的最新研究進(jìn)展2010年，中科院化學(xué)所有機(jī)固體院重點(diǎn)實驗室研究人員利用六炔基苯在銅片的催化作用下發(fā)生偶聯(lián)反應(yīng)，成功地在銅片表面上通過化學(xué)方法合成了大面積碳的新同素異形體—一石墨炔，這是在世界上首次大面積制備出了石墨炔薄膜。它具有豐富的碳化學(xué)鍵、大的共軛體系、寬面間距、優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性，被譽(yù)為是最穩(wěn)定的一種人工合成的二炔碳的同素異形體。由于其特殊的電子結(jié)構(gòu)及類似硅優(yōu)異的半導(dǎo)體性能，石墨炔可以廣泛應(yīng)用于電子、半導(dǎo)體以及新能源領(lǐng)域。1968年著名理論家Baughman通過計算認(rèn)為石墨炔結(jié)構(gòu)可以穩(wěn)定存在，國際上的著名功能分子和高分子研究組都開始了相關(guān)的研究，但是并沒有獲得成功。人們開始懷疑石墨炔是否能被人工合成,直到2010年，中科院化學(xué)所李玉良研究員等提出了在銅片表面上通過化學(xué)方法原位合成石墨炔并首次成功地獲得了大面積碳的新的同素異形體-石墨炔薄膜。在這一過程中銅箔不僅作為交叉偶聯(lián)反應(yīng)的催化劑、生長基底，而且為石墨炔薄膜的生長所需的定向聚合提供了大的平面基底。中國科學(xué)院青島生物能源與過程研究所能源應(yīng)用技術(shù)分所研究員黃長水帶領(lǐng)的研究小組與中科院化學(xué)研究所研究員李玉良合作，首次將石墨炔應(yīng)用于鋰離子電池電極材料，并對其電化學(xué)儲鋰性能及儲鋰機(jī)制進(jìn)行了詳細(xì)的分析研究，闡明了石墨炔結(jié)構(gòu)、形貌與其電化學(xué)性能之間的構(gòu)效關(guān)系，探索了石墨炔材料在鋰電池中的應(yīng)用，這些研究為石墨炔家族的儲鋰性能研究以及探索新型碳素儲能材料提供了理論依據(jù)和實驗指導(dǎo)。研究表明，石墨炔是一種非常理想的儲鋰材料，且其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)更有利于鋰離子在面內(nèi)和面外的擴(kuò)散和傳輸，這樣賦予其非常好的倍率性能，從實踐證明石墨炔是一種非常有前景的儲鋰能源材料，科學(xué)家也預(yù)測它在新能源領(lǐng)域?qū)a(chǎn)生非比尋常的影響。由此看來，石墨烯也是有廣泛未來的應(yīng)用前景，同時也見證了中國科學(xué)界為趕上石墨研究的先進(jìn)水平所做的努力。（五）小結(jié)石墨烯被譽(yù)為改變21世紀(jì)的新材料，將可能引導(dǎo)21世紀(jì)的產(chǎn)業(yè)革命，總的來說，石墨烯不僅是最薄的材料，也是最強(qiáng)韌的材料，斷裂強(qiáng)度比最好的鋼材還要高200倍。同時它又有很好的彈性，拉伸幅度能達(dá)到自身尺寸的20%。它是目前自然界最薄、強(qiáng)度最高的材料，石墨烯目前最有潛力的應(yīng)用方向，