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石墨烯-岩拓气凝胶

石墨烯

中文名:石墨烯

英文名:Graphene

应用领域:物理、材料、电子信息、计算机等

载流子迁移率:15000cm2/(V·s)(室温)

导热系数:5300W/mK(单层)

理论杨氏模量:1.0TPa

石墨烯的发现

实际上石墨烯本来就存在于自然界,只是难以剥离出单层结构。石墨烯一层层叠起来就是石墨,厚1毫米的石墨大约包含300万层石墨烯。铅笔在纸上轻轻划过,留下的痕迹就可能是几层甚至仅仅一层石墨烯。

2004年,英国曼彻斯特大学的两位科学家安德烈·盖姆(Andre Geim)和康斯坦丁·诺沃消洛夫(Konstantin Novoselov)发现他们能用一种非常简单的方法得到越来越薄的石墨薄片。他们从高定向热解石墨中剥离出石墨片,然后将薄片的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的薄片,这就是石墨烯。

 

石墨烯的合成方法

石墨烯常见的粉体生产的方法为机械剥离法、氧化还原法、SiC外延生长法,薄膜生产方法为化学气相沉积法(CVD)。

 

石墨烯的性质

石墨烯

石墨烯具有优异的光学、电学、力学特性,在材料学、微纳加工、能源、生物医学和药物传递等方面具有重要的应用前景。石墨烯是已知强度最高的材料之一,同时还具有很好的韧性,且可以弯曲。

石墨烯具有非常好的热传导性能,是目前为止导热系数最高的碳材料。石墨烯具有非常良好的光学特性,石墨烯具有非常良好的光学特性,石墨烯具有广泛应用在超快光子学。石墨烯具有质量轻、高化学稳定性和高比表面积等优点,使之成为储氢材料的最佳候选者。

由于高导电性、高强度、超轻薄等特性,石墨烯在航天军工领域的应用优势也是极为突出的。目前石墨烯复合材料的研究主要集中在石墨烯聚合物复合材料和石墨烯基无机纳米复合材料上,随着对石墨烯研究的深入,石墨烯增强体在块体金属基复合材料中的应用也越来越受到人们的重视。石墨烯制成的多功能聚合物复合材料、高强度多孔陶瓷材料,增强了复合材料的许多特殊性能。

 

石墨烯粉体的应用

石墨烯

石墨烯被称为材料界的“超级材料”。

科学家利用石墨烯能够研发一系列具有特殊性能的新材料。

石墨烯的实用化产品分为两类:石墨烯薄膜和石墨烯粉体。

批量生产石墨烯的方式目前主要是两种:

一种是利用化学气相沉积在金属表面生长出单层率很高,面积很大的石墨烯薄膜材料;

一种是将天然石墨通过物理或者化学的方法粉碎,形成石墨烯粉体。国内石墨烯粉体和石墨烯薄膜已具备批量化生产能力,预计一系列石墨烯的产业化应用即将大规模铺开。

石墨烯粉体实际上就是单层石墨烯和多层石墨烯的混合物粉体,其应用领域也极为广泛。

把石墨烯粉体添加到电缆中,将极大地改善导体材料的性能,电缆的利润率也将会得到提升,市场前景非常大。

在锂离子电池行业,磷酸铁锂作为动力锂离子电池最受关注的正极材料之一,一直存在导电性能偏弱问题,使用普通石墨粉体对其进行包覆改性,能够在一定程度上提高磷酸铁锂的导电性能。如果使用石墨烯粉体对磷酸铁锂进行表面包覆改性,可以极大的提高磷酸铁锂的导电性能,大幅降低电池内阻,从而提高电池组的大电流工作能力。

 

 

 

石墨烯

石墨烯(graphene,GN)是由单原子层的碳原子经过sp2杂化形成的二维原子晶体,单层GN示意图如图(a)所示。这种特殊结构蕴含了丰富而新奇的物理现象,使 GN表现出许多优异的性质。例如,GN的强度是已知材料中最高的,达130GPa,是钢的100多倍;其载流子迁移率达15000cm2/(V·s),是目前已知的具有最高迁移率的锑化铟材料的两倍,超过商用硅片迁移率的10倍以上;其热导率可达5000W/(m·K),是金刚石的3倍;其理论比表面积高达2630m2/g。

此外,GN还具有室温量子霍尔效应及铁磁性等特殊性质。这些性质使GN在诸多领域都有着潜在的应用,如场效应晶体管、太阳能电池、锂离子电池、超级电容器、传感器、复合材料、催化、吸附、药物输送等。同时又由于GN具有性能优异、成本低廉、可加工性好等众多优点,人们预测GN在21世纪将掀起一场新的技术革命。

石墨烯

由于具有机械强度高、化学性质稳定、比表面积大等突出优点,GN在水处理中的应用前景值得期待。但GN的结构为sp2杂化的C原子形成的单原子层,这使其表现出明显的憎水性。此外,由于范德华力的作用GN片层容易重新堆积形成石墨。在实际应用中常用的是氧化石墨烯(grapheneoxide,GO)它是石墨氧化的产物,它是石墨(graphenexide,GO),它是石墨氧化的产物,经过还原即可转化为GN。GO表面含有大量的含氧基团,如-COOH和-OH等。这些含氧官能团不仅使GO中表现出亲水性,而且还可成为活性吸附位吸附水中的重金属离子,更是制备石墨烯复合材料的前驱体。GO的结构如图(b)所示。

 

石墨、石墨烯、氧化石墨、氧化石墨烯、还原氧化石墨烯!你分清了么

石墨:石墨本体并非是真正意义的二维材料,单层石墨碳原子层(Graphene)才是准二维结构的碳材料。石墨可以看成是多层石墨烯片堆垛而成。

石墨烯:石墨是碳以sp2杂化形成的层状结构,而其中单独拿出一层,叫做石墨烯。

氧化石墨:是将石墨通过强氧化剂氧化,使表面生成羟基、羧基等官能团。

氧化石墨烯:将氧化石墨超声分散后,由于超声的振荡,分散作用很容易将氧化石墨分散层片状的结构即氧化石墨烯。

还原氧化石墨烯(reduced graphene oxide RGO):将氧化石墨烯用还原剂还原又可得到还原氧化石墨烯,氧化石墨烯中的含氧官能团(基团)没有被完全去除。

石墨烯是单层的石墨,石墨可以看成是由多层石墨烯一层层叠加起来的,氧化石墨是将石墨通过强氧化剂氧化,表面生成羟基、羧基等官能团,将氧化石墨超声分散后,由于超声的振荡,分散作用很容易将氧化石墨分散层片状的结构即氧化石墨烯,将氧化石墨烯用还原剂还原又可得到石墨烯。石墨烯是单原子层结构,想象一下像薄膜一样,如果石墨烯卷曲成管状就形成了碳纳米管,多层叠加成三维结构就又成了石墨,翘起来就是富勒烯。

 

制备方法

机械剥离法

机械剥离法是利用物体与石墨烯之间的摩擦和相对运动,得到石墨烯薄层材料的方法。这种方法操作简单,得到的石墨烯通常保持着完整的晶体结构。2004年,英国两位科学使用透明胶带对天然石墨进行层层剥离取得石墨烯的方法,也归为机械剥离法,这种方法一度被认为生产效率低,无法工业化量产。 这种方法可以制备微米大小的石墨烯,但是其可控性较低,实现大规模合成有一定的困难。

2016年, 中国科学家发明了一种简单高效的绿色剥离技术, 通过 “球-微球”间柔和的滚动转移工艺实现了少层石墨烯(层数3.8±1.9)的规模化制备。

氧化还原法

氧化还原法是通过使用硫酸、硝酸等化学试剂及高锰酸钾、双氧水等氧化剂将天然石墨氧化,增大石墨层之间的间距,在石墨层与层之间插入氧化物,制得氧化石墨(Graphite Oxide)。然后将反应物进行水洗,并对洗净后的固体进行低温干燥,制得氧化石墨粉体。通过物理剥离、高温膨胀等方法对氧化石墨粉体进行剥离,制得氧化石墨烯。最后通过化学法将氧化石墨烯还原,得到石墨烯(RGO)。这种方法操作简单,产量高,但是产品质量较低。氧化还原法使用硫酸、硝酸等强酸,存在较大的危险性,又须使用大量的水进行清洗,带大较大的环境污染。

使用氧化还原法制备的石墨烯,含有较丰富的含氧官能团,易于改性。但由于在对氧化石墨烯进行还原时,较难控制还原后石墨烯的氧含量,同时氧化石墨烯在阳光照射、运输时车厢内高温等外界条件影响下会不断的还原,因此氧化还原法生产的石墨烯逐批产品的品质往往不一致,难以控制品质。

取向附生法

取向附生法是利用生长基质原子结构“种”出石墨烯,首先让碳原子在1150℃下渗入钌,然后冷却,冷却到850℃后,之前吸收的大量碳原子就会浮到钌表面,最终镜片形状的单层的碳原子会长成完整的一层石墨烯。第一层覆盖后,第二层开始生长。底层的石墨烯会与钌产生强烈的相互作用,而第二层后就几乎与钌完全分离,只剩下弱电耦合。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黏合会影响碳层的特性。

碳化硅外延法

SiC外延法是通过在超高真空的高温环境下,使硅原子升华脱离材料,剩下的C原子通过自组形式重构,从而得到基于SiC衬底的石墨烯。这种方法可以获得高质量的石墨烯,但是这种方法对设备要求较高。

赫默法

通过Hummer法制备氧化石墨;将氧化石墨放入水中超声分散,形成均匀分散、质量浓度为0.25g/L~1g/L的氧化石墨烯溶液,再向所述的氧化石墨烯溶液中滴加质量浓度为28%的氨水;将还原剂溶于水中,形成质量浓度为0.25g/L~2g/L的水溶液;将配制的氧化石墨烯溶液和还原剂水溶液混合均匀,将所得混合溶液置于油浴条件下搅拌,反应完毕后,将混合物过滤洗涤、烘干后得到石墨烯。

化学气相沉积法

化学气相沉积法即(CVD)是使用含碳有机气体为原料进行气相沉积制得石墨烯薄膜的方法。这是生产石墨烯薄膜最有效的方法。这种方法制备的石墨烯具有面积大和质量高的特点,但现阶段成本较高,工艺条件还需进一步完善。由于石墨烯薄膜的厚度很薄,因此大面积的石墨烯薄膜无法单独使用,必须附着在宏观器件中才有使用价值,例如触摸屏、加热器件等。

低压气相沉积法是部分学者使用的,其将单层石墨烯在Ir表面上生成,通过进一步研究可知,这种石墨烯结构可以跨越金属台阶,连续性的和微米尺度的单层碳结构逐渐在Ir表面上形成。 毫米量级的单晶石墨烯是利用表面偏析的方法得到的。厘米量级的石墨烯和在多晶Ni薄膜上外延生长石墨烯是由部分学者发现的,在1000℃下加热300纳米厚的Ni 膜表面,同时在CH4气氛中进行暴露,经过一段时间的反应后,大面积的少数层石墨烯薄膜会在金属表面形成。

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