青岛理工大学《新型建筑材料论文》学生姓名： WWW 学号： 2321324323指导教师： TT土木工程学院土木工程专业 092 班2012 年 5 月 4 日改变世界的新型奇迹材料----石墨烯特征,性能及应用的研究摘要:石墨烯是目前发现的唯一存在的二维自由态原子晶体, 是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一个碳原子厚度的二维材料同时也是世上最薄却也是最坚硬的纳米材料。

[1]它具有独特的电学、机械力学和热学性质，在诸多领域都有着潜在的应用价值，如最近开发的快速晶体管、柔性透明电子产品、光学设备以及目前正在开发的太赫兹主动元件。

[2]关键字: 石墨烯, 特征,性能，应用,石墨烯的特征单层石墨烯虽然已经成功制得, 但目前其表征手段还十分有限, 成为制约石墨烯研究的瓶颈之一。

由于单层石墨烯理论厚度只有0.335nm,在扫描电镜中很难观察到。

原子力显微镜是确定石墨烯结构的最直接办法。

原子力显微镜可以表征单层石墨烯, 但也存在缺点: 且在表征过程中容易损坏样品; 此外, 由于C 键之间的相互作用, 表征误差达0. 5nm甚至更大, 这远大于单层石墨烯的厚度, 使得表征精度大大降低。

制备工艺石墨烯( g raphene) 是由单层六角原胞碳原子组成的蜂窝状二维晶体, 是构建其他维度碳质材料( 如0D 富勒烯、1D 纳米管、3D 石墨) 的基本单元。

2004 年, 英国曼彻斯特大学的物理学教授Geim 等用一种极为简单的方法剥离并观测到了单层石墨烯晶体。

在发现石墨烯以前, 石墨烯主要用于C60 , CNT 的构建模型。

大多数物理学家认为, 热力学涨落不允许任何二维晶体在有限温度下存在。

由于其独特的二维结构和优异的晶体学质量, 石墨烯蕴含了丰富而新奇的物理现象, 具有优异的电学、热学和力学性能。

所以, 它的发现立即震撼了凝聚态物理界, 并迅速成为物理、化学、材料等众多学科的研究热点。

本文分析了1 年有关石墨烯的论文, 对石墨烯的制备、表征及应用方面的最新进展进行了综述, 并对各种制备技术及表征手段进行了分析评价。

石墨烯的制备机械剥离法、加热SiC法是制备石墨烯的典型方法, 但这些方法制备的样品存在一定缺陷, 不能反映理想石墨烯的本征物性。

随着对石墨烯研究的不断深入, 近 1 年来新的制备方法不断涌现, 主要有以下几种:1.外延生长法外延生长法是利用生长基质的结构种! 出石墨烯。

Pan等以含碳的钌单晶在超高真空环境下高温退火处理, 使元素向晶体表面偏析形成外延单层石墨烯薄膜, 通过优化生长条件获得了理想的毫米级外延石墨烯二维单晶材料。

低能电子衍射结果证实了石墨烯样品毫米级的高度有序性。

这种高质量石墨烯的获得, 为石墨烯基础问题的深入研究及其进一步在器件方面的应用提供了一种新方法和理想体系。

但采用这种方法生产的石墨烯薄片往往厚度不均匀, 且石墨烯和基质之间的粘合会影响碳层的特性。

2.氧化石墨还原法氧化石墨还原法是以鳞片石墨为原料, 经过一系列的氧化获得氧化石墨 , 氧化石墨再经还原而获得石墨烯的方法。

Li 等利用还原氧化石墨的方法, 在没有任何化学稳定剂的情况下, 通过控制石墨层间的静电力, 制备出了在水中稳定分散的石墨烯悬浮液。

该种方法可制备出大量廉价的石墨烯材料, 可应用于抗静电涂层、柔性透明电子设备、高性能组件和纳米医学。

Vincent 等[ 11] 将氧化石墨纸直接放入水合肼中, 通过水合肼的还原将氧化石墨上的氧化官能团除去, 从而制得单层石墨烯的水合肼溶液。

由于石墨烯周围分布大量的负电荷, 这种悬浮液通过静电斥力可稳定存在几个月而不发生沉降。

可应用于纳米电子器件、场效应晶体管等领域。

鉴于Hummers 法制备氧化石墨耗时, 且对其官能团的功能化难以控制, Shen 等以过氧化苯甲酰为氧化剂, 利用过氧化苯甲酰的插入作用, 可以快速、简便、大批量制备氧化石墨及石墨烯。

进一步对其表面功能化, 这种氧化石墨烯薄片可以溶于不同的溶剂, 扩大了石墨烯的应用领域。

但是氧化石墨还原法制备的石墨烯也存在一定缺陷: 经过强氧化剂氧化过的石墨并不一定能够完全还原, 导致其一些物理、化学等性能损失, 尤其是导电性。

但是这种方法简便且成本较低, 可实现石墨烯的批量生产。

3.剥离,再嵌入-扩涨法氧化石墨还原法制备石墨烯过程中, 天然石墨难以完全氧化, 所制备的样品导电性差。

基于此, Li 等提出剥离再嵌入扩涨法, 制备出高质量的石墨烯片( GS) 。

即室温下将预处理的石墨用发烟硫酸氧化24h, 过滤洗涤后将样品置于DMF 和TBA 的混合液中超声5min; 样品放置3天使TBA 完全进入石墨层间, 之后于甲氧基聚乙二醇磷脂酰乙醇胺( Phospholipid PEG) 中超声1h, 即可制得石墨烯片。

此法制备的石墨烯在有机溶剂中稳定悬浮, 室温及低温下表现出极高的导电性, 比通常用还原氧化石墨方法获得的石墨烯的电导高两个数量级。

他们通过LB 膜组装技术, 将悬浮在溶剂里的石墨烯一层一层地转移到固体表面, 制成大面积的透明导电膜。

高质量石墨烯及其LB 膜的制备对未来石墨烯的大规模应用具有重要意义。

然而在制备单层高导电性的石墨烯及批量化生产方面有待进一步研究。

4.有机合成法相对于其他方法, 通过自下而上的有机合成法可以制备具有确定结构且无缺陷的石墨烯纳米带, 并可以进一步对石墨烯纳米带进行功能化修饰。

苝酰亚胺是由苝核和具有强吸电子能力的酰亚胺基团构成, 其bay 位提供了丰富的化学反应的可能性。

Qian 等以苝酰亚胺为重复单元, 通过偶联反应将两分子苝酰亚胺沿其bay 位结合在一起, 合成出二并苝酰亚胺, 并沿其bay 位构筑宽度受限( 1nm 左右) 、长度可控的石墨烯纳米带, 这实现了酰亚胺基团功能化的石墨烯纳米带的高效化学合成。

在以上工作基础上, 研究人员发现四溴苝酰亚胺在碘化亚铜和脯氨酸的活化下可以实现多分子间的偶联反应, 得到了不同尺度大小的并苝酰亚胺, 实现了酰亚胺基团功能化的石墨烯纳米带的高效化学合成, 通过高效液相分离了两种三并苝酰亚胺异构体, 进一步地结合实验方法和理论计算明确阐明了其结构。

这类具有酰亚胺基团功能化的石墨烯纳米带具有新颖的结构、特殊的光电性质和潜在的应用价值.石墨烯的潜在应用领域1.能源存储众所周知，材料吸附氢气量和其比表面积成正比，石墨烯拥有质量轻、高化学稳定性和高比表面积的优点，使其成为储氢材料的最佳候选者。

希腊大学Froudakis等设计了新型3D碳材料，孔径尺寸可调，他们将其称为石墨烯柱。

当这种新型碳材料掺杂了锂原子时，石墨烯柱的储氢量可达到6．1％(wt)。

Ataca 等用钙原子(Ca)掺杂石墨烯，利用第一性原理和从头算起的方法得到石墨烯被Ca原子掺杂后储氢量约为8．4％(wt)；他们还发现氢分子的键能适合在室温下吸／放氢，Ca会留在石墨烯表面，有利于循环使用。

Ataca的研究结果又一次推动石墨烯储氢向前迈进一步。

因此,石墨烯这种新材料的出现,为人们对储氢材料的设计提供了一种新的思路和材料。

[3]2. 石墨烯纳米复合材料2001年4月8日在线发表在国际著名期刊small上，4月11日即受到相关国际媒体的关注，其中ChemPubSoc Europe （欧洲化学出版协会）旗下的“ChemistryViews”以One Step to Graphene Composites为题对该工作进行了介绍。

报道称“目前报道的石墨烯-金属纳米材料不得不通过化学或热还原氧化石墨烯和金属先驱物的混合物来制备，这些方法涉及高毒性化学试剂、高温和多步反应。

中国湖南大学的罗胜联及同事采用电化学共沉积实现金属纳米粒子与石墨烯的层层自组装。

相比纯石墨烯膜，这种材料的导电性更好且比表面积更大。

这种方法具有推广价值，可广泛应用于石墨烯基复合材料的制备，如制备电子器件、超级电容器以及传感器用复合材料。

”同行专家评价该项研究成果重要性为该领域顶尖15% 之列。

该课题组合成的石墨烯基复合材料不但在电子器件、超级电容器以及传感器方面具有巨大应用前景，而且在环境污染控制领域具有很大应用潜力，如光催化降解有机污染物。

将石墨烯与半导体光催化剂采用类似方法结合，石墨烯的大比表面积能极大地促进有机污染物的吸附，提高光催化过程的传质效率；层层自组装结构具有大的界面面积，有利于催化剂光生载流子的分离与传输，避免光生电荷的复合，提高光电转换效率罗胜联教授课题组的研究为石墨烯基复合材料的制备与结构控制提供了全新的手段和思路，具有重要的科学价值及应用前景。

[4]3.纳米电子器件石墨烯具有很好的导电性, 其廉价大规模生产可能会极大地促进石墨烯在高传导率集成电路方面的研究。

石墨烯很有可能成为组建纳米电子器件的最佳材料, 可能是下一代电子器件的替代品, 用它制成的器件可以更小, 耗能更低, 电子传输速度更快。

然而, Ky le 等的研究表明, 石墨烯边缘的晶体取向会对其电性能产生相当重要的影响。

结果显示, 锯齿型边缘( zigzagedge) 表现出了强边缘态, 而椅型边缘( arm chair edg e) 却没有出现类似情况。

尺寸小于10nm、边缘主要是锯齿型的石墨烯片表现出了金属性, 而不是先前预期的半导体特性。

石墨烯与碳纳米管不同, 它是平面结构, 因此更适合传统芯片的制造工艺。

但这项实验的结果表明, 若要将石墨烯用于纳米电子器件, 必须注重其边缘的工程控制, 以获得统一的材料性能。

在5nm 大小的石墨烯片上, 只要有一小段边缘是锯齿型的, 就会将材料由半导体变为导体。

4.可做“太空电梯”缆线据科学家称，地球上很容易找到石墨原料，而石墨烯堪称是人类已知的强度最高的物质，它将拥有众多令人神往的发展前景。

它不仅可以开发制造出纸片般薄的超轻型飞机材料、可以制造出超坚韧的防弹衣，甚至还为“太空电梯”缆线的制造打开了一扇“阿里巴巴”之门。

美国研究人员称，“太空电梯”的最大障碍之一，就是如何制造出一根从地面连向太空卫星、长达23000英里并且足够强韧的缆线，美国科学家证实，地球上强度最高的物质“石墨烯”完全适合用来制造太空电梯缆线！人类通过“太空电梯”进入太空，所花的成本将比通过火箭升入太空便宜很多。

为了激励科学家发明出制造太空电梯缆线的坚韧材料，美国NASA 此前还发出了400万美元的悬赏。

[5]5.在微电子上的应用是最薄的材料，也是最强韧的材料，断裂强度比最好的钢材还要高出百倍。

同时它又有很好的弹性，拉伸幅度能达到自身尺寸的20%。

如果用一块面积1平方米的石墨烯做成吊床，可以承受一只猫的重量，而吊床本身重量不足1毫克，只相当于猫的一根胡须。

石墨烯的导电性比铜更好，导热性远超一切其他材料。