面向应用的石墨烯制备研究进展

2015年8月 CIESC Journal ·2888·

August 2015第66卷 第8期 化 工 学 报 V ol.66 No.8

面向应用的石墨烯制备研究进展

何大方1，吴健1，刘战剑2，沈丽明1，汪怀远2，暴宁钟1

（1南京工业大学化学化工学院，材料化学工程国家重点实验室，江苏 南京 210009；

2

东北石油大学化学化工学院，黑龙江 大庆 163318）

摘要：二维石墨烯具有卓越的光、电、热和力学等性能，在众多传统产业和战略性新兴产业中有巨大的应用前景，被誉为下一代关键基础材料。然而，石墨烯产业化及应用的瓶颈性问题是如何高效率、规模化、低成本和环境友好地制备高质量石墨烯产品。本综述系统地比较了现有石墨烯制备方法的优缺点，结合不同应用领域的特殊要求，阐明了材料化学工程的放大理论和方法是解决石墨烯大规模制备和应用瓶颈性问题的重要保障。 关键词：石墨烯；性能；应用；制备；分离；产品工程 DOI ：10.11949/j.issn.0438-1157.20150738

中图分类号：TB 383 文献标志码：A 文章编号：0438—1157（2015）08—2888—07

Recent advances in preparation of graphene for applications

HE Dafang 1, WU Jian 1, LIU Zhanjian 2, SHEN Liming 1, WANG Huaiyuan 2, BAO Ningzhong 1

(1College of Chemistry and Chemical Engineering , State Key Laboratory of Material-Oriented Chemical Engineering , Nanjing Tech University , Nanjing 210009, Jiangsu , China ; 2College of Chemistry and Chemical Engineering , Northeast Petroleum University ,

Daqing 163318, Heilongjiang , China )

Abstract ：Graphene material possesses extraordinary properties for a variety of applications both in traditional and new emerging industries. However, the lack of an eco-friendly approach for large-scale, low-cost, and efficient preparation of high-quality graphene products has been a major bottleneck to exploiting most potential applications. This review systematically analyzed and compared the advantages and disadvantages of all available graphene preparation methods based on the specific requirements of different application fields. The significance of the principle and methology of materials-oriented chemical engineering in developing effective solutions for the described bottleneck problem in achieving the industrial preparation and application of graphene was discussed. Key words ：graphene ；property ；application ；preparation ；separation ；product engineering

引 言

石墨烯是紧密堆积成二维六方蜂窝状晶格结构的单层碳原子，各碳原子之间以sp 2杂化方式相

连，C —C 之间夹角为120°，键长约为0.142 nm ，

键能很强，结构非常稳定[1-2]。科学界一直认为二维石墨烯不能在有限温度下稳定存在，直到2004年英国曼彻斯特大学的Novoselov 等[3-5]用一种极为简单

2015-05-27收到初稿，2015-06-04收到修改稿。

联系人：沈丽明，暴宁钟。第一作者：何大方（1987—），男，博士研究生。

基金项目：国家自然科学基金项目（51425202，51202110）；江苏省自然科学基金项目（BK2012426, BK2012041）；江苏省高校优势学科建设工程资助项目。 Received date : 2014-05-27.

Corresponding author : Prof. SHEN Liming, lshen@https://www.wendangku.net/doc/4610404831.html,; Prof. BAO Ningzhong, nzhbao@https://www.wendangku.net/doc/4610404831.html,

Foundation item : supported by the National Natural Science Foundation of China (51425202, 51202110), the Natural Science Foundation of Jiangsu Province (BK2012426, BK2012041) and the Project Funded by the Priority Academic Program Development of Jiangsu Higher Education Institutions (P APD).

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的方法获得石墨烯，Novoselov和Geim也因“在二维石墨烯材料的开创性实验”而共同获得2010年诺贝尔物理学奖。作为一种新型碳材料，石墨烯自发现之日起就受到了各国科学家的广泛关注[6-8]。石墨烯可塑性极大，是构建其他维数碳材料的基本单元，可以包裹成零维的富勒烯结构，卷曲成一维的碳纳米管，以及堆垛成三维的石墨（图1）[1]。

图1 石墨烯——各种碳材料结构的基本单元

Fig. 1 Graphene—mother of all graphitic forms

石墨烯是本世纪重点发展的新兴战略材料之一，具有结构稳定、导电性高、韧度高、强度高、比表面积超大等优异的物理化学性质（表1），可以大幅度提高复合材料的性能，实现复合材料在航天、军工、半导体以及新一代显示器等多个传统领域和战略性新兴产业领域的重要应用，被誉为下一代关键基础材料。世界各国高度重视并皆将石墨烯提高到空前高度，投入大量人力、物力和财力抢占这一战略高地。欧盟委员会将石墨烯列为仅有的两个“未来新兴技术旗舰项目”之一。美国也将石墨烯视为同3D打印技术同等重要的支撑未来科技发展的战略性产业。中国也在《新材料产业“十二五”发展规划》中明确提出积极开发石墨烯材料。

1 石墨烯的特性

单层石墨烯的厚度仅为0.35 nm，是目前已知最轻最薄的材料；它在室温下的电子迁移率为2×105 cm2·V?1·s?1[2,9]，是光速的1/300，理论比表面积能够达到2630 m2·g?1 [10]，全波段光吸收只有2.3%，热导率高达5000 W·m?1·K?1[11-12]，杨氏模量超过1100 GPa [13]，抗拉强度超过130 GPa[14]，且韧性非常好，当施加外部机械力时，碳原子会通过弯曲变形来适应外力，而不必使碳原子重新排列，这样就保持了结构的稳定[13]。因此，石墨烯是一种应用潜力非常广泛的碳材料，在新型反应分离、新材料（化工、结构及功能）、节能环保、海洋工程、新能源等众多产业都有巨大的应用前景[15]。

2 石墨烯的制备方法

目前，石墨烯的制备研究不断取得重要进展，制备方法主要有微机械剥离法、外延生长法、石墨插层法、溶液剥离法、化学气相沉积法和氧化还原法。

2.1微机械剥离法

Geim等[5]利用氧等离子束先在高定向热解石墨表面刻蚀出宽20 μm～2 mm、深5 μm的微槽，用光刻胶将其粘到玻璃衬底上进行焙烧，再用透明胶反复地从石墨上剥离出石墨薄片，放入丙酮溶液中超声振荡，再将单晶硅片放入丙酮溶剂中，由于范德华力或毛细管力，单层石墨烯会吸附在硅片上，从而成功地制备出单层的石墨烯。该方法直接从石墨上剥离出少层或者单层石墨烯，简单易行，不需要苛刻的实验条件，得到的石墨烯保持着完美的晶体结构，缺陷少，质量高。缺点是石墨烯的生产效率极低，仅限于实验室的基础研究。

表1石墨烯与其他碳材料性质的比较

Table 1 Properties of graphene and other carbon materials

Material Dimensions Hydridization Hardness Tenacity SSA/m2·g?1

Electrical

conductivity/S·cm?1

Thermal

conductivity/W·m?1·K?1

graphene 2 sp2highest flexible, elastic～1500～20004840—5300 carbon nanotube 1 mostly

sp2high flexible, elastic～1300structure-dependent3500 fullerene0 mostly

sp2high elastic80—9010?100.4 graphite 3 sp2high flexible, non-elastic10—20anisotropic: (2—3)×104①, 6②anisotropic: 1500—2000①,

5—10②

① a direction; ②c direction.

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2.2外延生长法

该方法以单晶6H-SiC为原料，利用氢气刻蚀处理后，再在高真空下通过电子轰击加热，除去氧化物。用俄歇电子能谱确定样品表面的氧化物被完全移除后，在超低真空(1.333×10?8 Pa)、高温(1200～1450℃)条件下，恒温1～20 min，热分解去除其中的Si，在单晶(0001)面上分解出厚度受温度控制的石墨烯片[16-17]。该方法制备的石墨烯电导率较高，适用于对电性能要求较高的电子器件。主要缺点是该方法会产生难以控制的缺陷以及多晶畴结构，很难获得长程有序结构，难以制备大面积厚度单一的石墨烯。此外，制备条件苛刻、成本高，要在高压、真空条件下进行，分离难度大。

2.3石墨插层法

该方法以天然鳞片石墨为原料，用碱金属元素为插层剂，通过插层剂与石墨混合反应得到石墨层间化合物。石墨层间化合物从两个方面加速了石墨的剥离过程。首先，插层剂的插入增加了石墨的层间距离，削弱了石墨层间的范德华力。其次，锂、钾、铯等碱金属插入后，将一个电子输入石墨晶格中，使晶面带负电，产生静电斥力，使得石墨晶体容易发生剥离分开。最后通过超声和离心处理得到石墨烯片[18-20]。但该方法制备出的石墨烯片为多层（>10层），厚度大于几十纳米，且加入的插层物质会破坏石墨烯的sp2杂化结构，使得石墨烯的物理和化学性能受到影响。

2.4溶液剥离法

溶剂剥离法是将石墨分散于溶剂中，形成低浓度的分散液，利用超声或高速剪切等作用减弱石墨层间的范德华力，将溶剂插入石墨层间，进行层层剥离，制备出石墨烯[21-22]。2014年Paton等[23]首先将石墨分散在N-甲基吡咯烷酮(N-methyl- pyrrolidone，NMP)溶剂中，利用简单的高速剪切实现快速高效地剥离石墨，得到少层的石墨烯稳定分散液，并提出了一条实现石墨烯规模化生产的有效途径。液相剥离法可以制备高质量的石墨烯，整个液相剥离过程没有引入化学反应，避免了在石墨烯表面引入结构缺陷，这为高性能电子器件的应用提供了优质石墨烯。主要缺点是产率很低，不适合大规模生产和商业应用。

2.5化学气相沉积法（CVD）

该方法通过反应物质在较高温度条件下呈气态发生化学反应，退火生成固态物质沉积在金属基体表面，是工业上大规模制备半导体薄膜材料的主要方法。CVD 法制备石墨烯是通过高温加热，使气体分解成碳原子和氢原子，退火使碳原子沉积在基底表面形成石墨烯，最后用化学腐蚀法去除金属基底。2009年Hong等[24]第一次在镍层上利用CVD 法沉积出6～10个原子层厚度的石墨烯。2013年Bharathi等[25]通过CVD法制备出了直径约为1 cm 的大尺寸单晶石墨烯。

CVD法被认为是最有希望制备出高质量、大面积的石墨烯，是生产石墨烯薄膜最具潜力的产业化方法。但是，该方法不适合制备大规模石墨烯宏观粉体，限制了其应用。此外，石墨烯与基底的分离是通过化学腐蚀金属的方法，需要消耗大量的酸，会对环境产生巨大的污染，同时使得成本居高不下。因此，如何从衬底上高效低成本地剥离得到完整的石墨烯是该方法面临的主要问题。

2.6氧化还原法

氧化还原法可简化为“氧化-剥离-还原”3个步骤，具体为首先利用强氧化剂对石墨进行氧化处理，在石墨的表面氧化形成亲水性的羟基、环氧基和羧基等含氧基团，此过程会使石墨的层间距由原来的0.34 nm扩大到0.8 nm，层间距离的扩大可以有效消弱层间的范德华吸引力，易于剥离[26]；然后利用超声的方法剥离氧化石墨，超声波在氧化石墨悬浮液中疏密相间地辐射，使液体中产生大量的微小气泡，这些气泡在超声波纵向传播的负压区形成、生长，而在正压区迅速闭合，在这种被称之为“空化”效应的过程中，气泡闭合可形成超过1.0×108 Pa的瞬间高压，连续不断产生的高压就像一连串小“爆炸”不断地冲击石墨氧化物，使石墨氧化物片迅速剥离得到单层的氧化石墨烯；最后，在高温或者在还原性溶液中对氧化石墨烯进行还原反应，还原除去氧化石墨烯表面的羟基、环氧基和羧基等含氧基团，恢复石墨烯完美的二维sp2杂化结构，得到石墨烯产品[27-28]。

表2从产品质量、性价比、环境友好性、纯度、产率和产业化前景等方面总结了目前石墨烯的主要制备方法。可以看出，相比其他操作复杂、成本高或产率低的制备方法，氧化还原法可以大量、高效地制备出高质量的石墨烯，且过程相对简单，是目前大规模制备石墨烯材料的唯一有效的途径。

氧化还原法制备的石墨烯由于其质量高、成本低、收率高和产量大，在新型反应分离、节能环保、海洋工程、新能源等高技术产业和传统产业领域展现出巨大的应用前景。

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表2石墨烯制备方法比较

Table 2 Comparison of common graphene production methods(0=none，1=low，2=average，3=high) Method Quality

Cost

Purity Yield

Scalability

Total

points mechanical

exfoliation

3 2 2 0 0 7

epitaxial growth 3 0 2 1 1 7 graphite

intercalation

1 2 0 2 2 7

liquid-phase

exfoliation

1 1

2 1

3 8

chemical vapour

deposition

3 0 2 1 2 9

reduction of

graphene oxide

2 2 2

3 3 12

Note: Cost aspect; a low value corresponds to high cost of production. 2.6.1 分离膜石墨烯片的碳六元环结构对分子不渗透，且片层可有序叠加，由此通过调节石墨烯片层间距或者石墨烯片上孔径及孔性质，可较好地制备出石墨烯分离膜，应用于渗透汽化、醇水分离、蛋白质分离等。石墨烯分离膜可通过形成规整均一精密的纳米通道，使分子在受限条件下无阻力地通过纳米孔道。此外，还可通过对石墨烯膜孔表面亲疏水性的设计，使孔道边缘和过滤分子间形成相互作用，达到高效分离的目的[29-30]。石墨烯类分离膜可从根本上解决膜材料领域中存在的通量及截留率难两全的根本难题。目前石墨烯分离膜的研究主要集中于两个方面：（1）纯石墨烯分离膜的结构设计及应用研究；（2）石墨烯类复合膜的改进和应用研究。

2.6.2 能量转换与存储石墨烯的高透光性、高电子迁移率以及比铜、银还低的电阻率使得其成为太阳能电池领域极具潜力的材料之一。对于传统单晶硅材料电池，其作为电子传导材料或者电子受体与空穴传导体，用作透明导电层，并替代银浆材料，大大降低了电池成本[31]。对于结构复杂的第3代太阳能电池，如染料敏化太阳能电池（DSSC），其应用主要包括3方面：光阳极、电解液和对电极[32]。研究人员将石墨烯引入吸附敏化剂的半导体材料，改善了纯半导体材料中电子传输速率慢的缺点[33]。

在锂离子电池领域，石墨烯因具有极大的理论比表面积、卓越的导电性能、化学稳定性好以及力学性能优异，同正负极材料进行复合，可以有效克服目前电极材料存在的导电性差、体积效应和极化现象等难题，大幅度提高锂离子电池的循环性能和倍率性能，实现锂离子电池的革命性变革[34-36]。

在超级电容器领域，目前主要存在能量密度较低，难以满足日益增长的工业和生活发展需求。超级电容器的能量密度主要由电极材料的性能决定，电极材料的设计和制备成为高性能超级电容器开发的关键。石墨烯具有比表面积高、电导率高、化学稳定性好及力学性能优异等优点，已成为超级电容器电极材料研究的热点。目前，石墨烯在超级电容器中的应用主要方式是：(1) 作为单独的电极材料；

(2) 与传统电极材料如金属、金属氧化物及导电聚合物等进行复合。石墨烯应用在提高超级电容器的能量密度方面已经取得重要的进展[37-38]。

2.6.3 复合材料石墨烯的高热导率（5300 W·m?1·K?1）能够有效地提高聚合物的导热性，此外，其具有的优异的韧性和润滑性，可用于提高聚合物材料的力学性能及耐磨性能等。但是，石墨烯的高成本、难分散及与聚合物界面的弱结合制约了石墨烯在聚合物中的应用，研究者结合聚合物的特点，对石墨烯或氧化石墨烯进行共价键改性或非共价键改性，获得不同表面性质的功能石墨烯材料。再与聚合物进行复合，获得强度高、耐磨性能好和导热性能高的石墨烯（或氧化石墨烯）/聚合物复合材料[39-41]。

尽管石墨烯在聚合物材料领域有了突飞猛进的进展，但很多只停留在实验室阶段，主要原因在于没有将石墨烯与聚合物材料进行有效的匹配。如质量匹配——石墨烯尺寸及填充含量、动量匹配——处理界面以提高复合效果和热量匹配——获得高连续性的填充结构。这些对石墨烯的分级（尺寸和层数）提出了更高的要求。但目前关于石墨烯尺寸与层数影响聚合物性能的相关研究工作鲜有报道。2.6.4 功能涂层近年来，随着工业生产、输运、海洋等对涂层材料的防腐、耐磨、减阻、导热等功能要求不断增加，石墨烯功能涂层研究引起了国内外广泛的关注[42-45]。石墨烯功能涂层在化工方面的应用主要有防腐涂层、耐磨涂层和高导热涂层等。

在防腐涂层应用方面，在石油化工过程中许多生产设备(例如输油管道、反应釜、精馏塔、换热器等)长时间处于较高温度和压力下工作，由氧气和水引起的设备腐蚀容易造成巨大的安全隐患和经济损失。传统的防腐涂层大多是利用物理原理防腐，构建致密的隔绝层抑制腐蚀。然而，由于石墨烯具有特殊片层共轭结构和优异电学性能，利用其可制备同时具有物理防腐和化学防腐性能的防腐新涂层，展现了巨大的应用前景[42]。

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在耐磨涂层方面，管道及设备的表面因摩擦而造成的损耗是工业生产中急需解决的难题，纯有机涂料耐磨性差限制了其工业应用。石墨烯的力学强度高达130 GPa，是迄今发现的力学性能最好的材料之一，将石墨烯添加到有机涂料中可有效提高涂层的力学和耐磨性能[43]。

在高导热涂层方面，高导热石墨烯涂层在化工换热器、精馏塔、蒸发器等重点设备上将具有重要应用前景。目前，防腐涂料多为聚合物基材料，涂层的导热性能较差、热阻较大。石墨烯的热导率可以达到5300 W·m?1·K?1。将石墨烯引入到涂料中可以制备出具有高导热性能的防腐涂层[44]。

此外，石墨烯具有特殊的二维片层结构，将石墨烯添加到含低表面能物质的涂料中可以构建出耐磨超疏水涂层，达到自清洁兼防腐耐磨的目的[45]。

3 石墨烯规模化生产的材料化学工

程研究方法

迄今为止，石墨烯的产业化已取得了重要进展。国外公司主要有CVD Equipment Corporation、Graphene Nanochem PLC、V orbrck Materials、XG Sciences、Haydale Limited、Graphenea、Graphene Laboratories、Bluestone Global Tech、Angstron Materia等。国内宁波墨西科技、常州第六元素材料科技、东莞鸿纳新材料科技、上海新池能源科技、厦门凯纳石墨烯技术、深圳贝特瑞新能源材料等企业成为石墨烯规模化生产的开拓者。虽然吨级以上的石墨烯生产线已经建成，但是石墨烯在市场化和产品化的过程中还存在许多有待解决的问题。

截至目前，尚未真正实现高质量石墨烯的规模化生产及应用。其中主要原因是由于石墨烯的各种卓越的性能只有在石墨烯质量很高时才能体现，随着层数的增加和内部缺陷的累积，石墨烯诸多优越性能都将降低，目前商业化的石墨烯产品普遍存在尺寸和层数不均匀、单层石墨烯含量低、比表面积远低于理论值、无法分级等问题。单层高品质的石墨烯，主要应用在军工、分离膜和光伏等高技术产业，可以充分发挥这种新型二维材料的高附加值特性。少层石墨烯主要应用在锂离子电池、超级电容器等能量存储领域，多层石墨烯应用在塑料、橡胶、摩擦等传统增强材料领域。因此目前商业化的石墨烯产品满足不了各种应用领域对石墨烯的特殊需求，严重阻碍了石墨烯高性能、高附加值的大规模应用。其次，氧化还原法生产石墨烯过程中，每生产1 t石墨烯产品消耗50 t浓硫酸。大量的酸性废水对环境造成巨大的污染，如果采用传统的废水处理方法处理生产过程中产生的废水必然会消耗巨大的人力和财力成本，使得石墨烯的价格居高不下，严重阻碍了石墨烯的大规模应用和推广。只有发展绿色的石墨烯生产工艺，实现生产过程中的无污染、零排放，同时兼顾低能耗和资源高值化，才可以有效地降低石墨烯的生产成本。综上所述，石墨烯的未来发展方向是要致力于完成石墨烯的层数和尺寸的可控分级，实现分级后的石墨烯产品有针对性地应用在不同领域，才可以有效地发挥石墨烯的高附加值特性，降低应用成本，实现二维石墨烯新材料的大规模产业化应用，迅速推动我国在世界引领石墨烯的发展。

然而，长期以来围绕新材料的实验室制备、理化性能和潜在应用的研究广泛见诸于报道，但是真正实现新材料产业化及应用却非常少，究其根本原因是缺乏构筑跨越新材料基础科研成果与工业化生产技术之间鸿沟的桥梁。石墨烯的产业化也面临同样境况。材料化学工程则是实现从实验室石墨烯新材料到规模工业产品的重要途径。化学工程学科的发展始于以单元操为核心内容，并随着对以流体为主要研究对象的规律和本质的深入研究，逐渐形成了以传递原理（三传）、化学反应工程（一反）、化工热力学等为核心内容的较为完善的学科体系[46-48]。然而，新材料本身结构复杂，表面性质独特，其制备和应用常涉及含化学反应的复杂多相界面过程，如何实现其从以传统化学产品的高转化率和选择性为目标，向更高层次以新材料产品构效关系为中心的转变，是新材料产品工程面临的挑战。正是在此背景下，材料化学工程概念应运而生，并最早由徐南平院士[49-50]于2003提出，之后进展显著。材料化学工程的内涵包括两个方面：（1）用化学工程的理论与方法指导材料制备与加工过程；（2）开发以新材料为基础的化工单元技术与理论。通过材料的功能-结构-应用关系的科学问题的研究，致力于解决制约过程工业可持续发展的能源、资源和环境等瓶颈问题，构建化学工程与材料学科交叉研究的学术平台。简而言之，就是用化学工程的原理和方法“做”材料和“用”材料[51]。

针对石墨烯产业发展中存在的“做好”和“用好”石墨烯关键瓶颈问题，将化学工程原理及放大方法引入石墨烯材料的制备加工过程中。通过优化

第8期何大方等：面向应用的石墨烯制备研究进展·2893·

耦合工艺和循环资源来建立环境友好的过程，以解决石墨烯生产对资源与能源的消耗和环境的污染；采用宏观易控条件对石墨烯产品的微结构与性能进行调控，为石墨烯产品的高质量、低成本、规模化制备提供理论指导和技术保障。另一方面，强调依托石墨烯新材料的特定结构和性质发展新的化工技术和理论，例如涉及石墨烯新型分离材料技术、新型催化材料技术等，特别是形成新的工艺流程、集成技术和装置创新，以达到高效率、低能耗和环境友好的目的。

4 结语与展望

石墨烯独特的优异性质使其在众多领域有着巨大的应用前景。然而，目前市场石墨烯产品存在尺寸和层数不均匀、单层含量低、比表面积远低于理论值、无法分级等问题，严重地阻碍了石墨烯的各种优异性能的充分体现；其次，在石墨烯生产过程中伴随着巨大的污水处理成本，使得石墨烯的价格居高不下，进一步限制了石墨烯的规模化推广应用。应用市场迫切需求高质量、低价格和性质稳定的石墨烯原料。材料化学工程是指化学工程与材料学科交叉融合，通过材料的功能-结构-应用关系的科学问题指导新材料的规模化生产，已经成功地应用在膜分离技术的规模化生产，实现了巨大的经济和社会效益。随着研究的不断深入，材料化学工程的放大理论和技术也将是实现高质量、低成本和绿色的石墨烯规模化制备技术的唯一有效的途径。基于化学工程基础理论和方法（如热力学、动力学和材料分子模拟等），研究采用化学反应从实验室到实际工业生产制备石墨烯过程的工程放大规律，揭示化工制备石墨烯的过程-材料结构-产品性能-应用功能的调控机制，发展高质量低成本规模化制备石墨烯新材料产品的绿色流程、工艺、技术和装备，成就基于石墨烯新材料的新型化工分离、反应过程的科学和技术创新，以上对于实现石墨烯大规模应用、拓展材料化学工程科学内涵至关重要。

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石墨烯制备方法及应用的研究进展

石墨烯制备方法及应用的研究进展 邓振琪黄振旭 （郑州师范学院化学化工学院，河南郑州450044） 摘要:石墨烯因具有高的比表面积、突出的导热性能和力学性能及其非凡的电子传递性能等一系列优异的性质，引起了科学界新一轮的研究热点。本文总结近年石墨烯的研究现状，综述介绍石墨烯的制备方法和其应用的研究进展。 关键字：石墨烯；制备；应用 2004年，英国曼彻斯特大学Geim研究小组首成功地在实验中从石墨中分离出石墨烯[1]，并提出了表征石墨烯的光学方法，对其电学性能进行了系统研究，发现石墨烯具有很高的载流子浓度、迁移率和亚微米尺度的弹道输运特性，从而掀起了石墨烯研究的热潮。 石墨烯是由碳原子以sp2杂化连接按照六边形紧密排列成蜂窝状晶格的二维晶体，其理论厚度仅为0.35nm，是目前所发现的最薄的二维材料[2]。是构造其他维度碳质材料的基本单元，它可以包裹形成零维富勒烯，也可以卷起来形成一维的碳纳米管或者层层堆叠构成三维的石墨。 石墨烯因其独特的二维晶体结构，从而具有优异的性能。如单原子层石墨烯材料理论表面积可达2630m2/g，半导体本征迁移率高达2×105cm2/(V·s)，弹性模量约为1.0TPa，热传导率约为5000W/(m·K)，透光率高达97.7％，强度高达 110GPa[3]。这些优异的性能使得石墨烯在纳米电子器件、传感器、电化学及复合材料等领域有光明的应用前景。 1.石墨烯的制备 现在制备石墨烯主要方法为微机械剥离法、基底生长法、化学气相沉淀法、氧化石墨还原法。另简单介绍液相或气相直接剥离法、电化学法、石墨插层法等方法。 1.1微机械剥离法 石墨烯最初的制备就是微机械剥离，机械剥离法就是通过机械力从具有高度定向热解石墨表面剥离石墨烯片层。Geim教授采用胶带剥离法可以认为是机械剥离法中的一个代表。Knieke等[4]利用湿法研磨法在室温下研磨普通石墨粉，成功的对石墨的片层结构进行了剥离，制备了单层和多层的石墨烯片。微机械剥离法制得的石墨烯具有最高的质量，适用于研究石墨烯的电学性质。但该方法低

石墨烯研究现状及应用前景

石墨烯材料研究现状及应用前景 崔志强 （重庆文理学院材料与化工学院，重庆永川402160） 摘要：近几年来, 石墨烯材料以其独特的结构和优异的性能, 在化学、物理和材料学界引起了轰动。本文引用大量最新的参考文献,阐述了石墨烯的制备方法如机械剥离法、取向附生法、加热 SiC 法、爆炸法、石墨插层法、热膨胀剥离法、电化学法、化学气相沉积法、氧化石墨还原法、球磨法等，分析了各种制备方法的优缺点。论述了石墨烯材料在透明电极、传感器、超级电容器、能源储存、复合材料等方面的应用，同时简要分析了石墨烯材料研究的现实意义，展望了其未来的发展前景。 关键词：石墨烯材料；制备方法；现实意义；发展现状；应用前景 中图分类号: TQ323 文献标识码:A 文章编号: Research status and application prospect of graphene materials Cui Zhiqiang (Faculty of materials and chemical engineering, Chongqing Academy of Arts and Sciences, Yongchuan, Chongqing 402160) Abstract: In recent years, graphene has caused a sensation in chemical, physical and material science due to its unique structure and excellent properties. Cited in this paper a large number of the latest references, expounds the graphene preparation methods such as layer method, thermal mechanical stripping method, orientation epiphytic method, heating SiC method, explosion, graphite intercalation expansion stripping method, electrochemical method, chemical vapor phase deposition method, graphite oxide reduction method, ball milling method, and analyze the advantages and disadvantages of various preparation methods. This paper discusses the application of graphene materials in transparent electrodes, sensors, super capacitors, energy storage and composite materials, and briefly analyzes the practical significance of the study of graphene materials, and gives a prospect of its future development. Keywords: graphene materials; preparation methods; practical significance; development status; application prospect 0 引言 1985 年英美科学家发现富勒烯[1]和1991 年日本物理学家Iijima 发现碳纳米管[2]，加之英国曼彻斯特大学科学家于2004 年成功制备石墨烯[3]之后，金刚石（三维）、石墨（三维）、石墨烯（二维）、碳纳米管（一维）和富勒烯（零维）组成了一个完整的碳系材料“家族”。从理论上说，石墨烯是除金刚石外所有碳晶体的基本结构单元，如果从石墨烯上“剪”出不同形状的薄片，进一步就可以包覆成零维的富勒烯，卷曲成一维的碳纳米管，堆叠成三维的石墨，如图1 所示[4]。由于石墨烯优异的电学、热学、力学性能，近年来各国科研人员对其的研究日益增长，已经是材料科学领域的研究热点之一。2010 年诺贝尔物理学奖揭晓[5-6]之后，人们对石墨烯的研究和关注越来越多，新的发现不断涌现。在不断深入研究石墨烯的制备方法和性质的过程中，其应用领域也在不断扩大。由于石墨烯缺乏带隙以及在室温下的超高电子迁移率、低于银铜的电阻率、高热导率[7]等，在光电晶体管、生化传感器、电池电极材料和复合材料方面有着很高

多孔石墨烯材料的研究进展

多孔石墨烯材料的研究进展 摘要：多孔石墨烯材料同时结合了石墨烯和多孔材料的优点，具有独特的二维结构及优异的理化性质，是一种具备巨大应用潜力的新型纳米碳质材料。然而单一的石墨烯材料很难充分满足各个领域的应用需求，且石墨烯片层容易堆叠和团聚，制约了其实际应用的发展。通过掺杂、改性、组装和复合等手段制备石墨烯衍生物及石墨烯纳米复合物等石墨烯基材料可以丰富并优化石墨烯的性质，拓展并提升石墨烯的性能，对于促进石墨烯的实际应用具有重大意义。作为一种新型石墨烯衍生物，多孔石墨烯以其二维片状结构、超高比表面积、开放的能带间隙、丰富的活性位点等特性吸引了研究者的很大关注。 关键词：石墨烯；杂化；石墨烯衍生物 引言 如果以化学家的视角将人类和世界写成一本书，碳元素必将会跻身关键词之列：从碳基生命到无机碳素，从史前壁画到太空天梯，从钻木取火到蒸汽革命，再从笔墨纸砚书酒花到柴米油糖酱醋茶，碳的身影无处不在，不可替代。作为世界上最为普遍和奇妙的元素，碳变化多端的魅力归因于其电子轨道杂化方式的多样性及其特殊的成键能力和成键方式。碳原子含有四个价电子，往往以sp，sp2和sp3等杂化形式构成具有不同性质的单质或化合物。以碳单质为例，碳元素存在多种结构、性质迥异的同素异形体。其中sp杂化形式的卡宾碳异常活泼，不易单独稳定存在；sp3杂化的金刚石稳定、超硬、价高，化学修饰较困难；sp2杂化的石墨、石墨烯化学修饰较易且具有独特的电子共轭体系，此外还存在杂化形式介于sp2杂化和sp3杂化之间的富勒烯及包含多种杂化形式碳原子的无定形碳等等。碳家族的众多成员极大丰富了碳质材料的性质，为其在各领域的广泛应用奠定了基础[1]。 1石墨烯及石墨烯基材料 石墨烯即单层或少层石墨薄片，是sp2杂化碳原子按照蜂窝状六元环结构排列而成的二维平面网络结构。2004年，曼彻斯特大学的Novoselov和Geim教授研究组利用机械剥离法成功得到独立存在的单原子层石墨烯，两位物理学家因这一开创性的发现在2010年共同获得诺贝尔物理学奖。然而当我们认真地追根溯源时，会发现石墨烯并非一颗横空出世的新星，围绕石墨烯的讨论已经在科学界

石墨烯的制备方法与应用

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。 没有能隙——良好的半导体 良好的导热性 热稳定性——优于石墨 较大的比表面积 优秀导电性——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--电子的“光速”移动碳原子有四个价电子，这样每个碳原子都贡献一个未成键的π电子，这些π电子与平面成垂直的方向可形成轨道，π电子可在晶体中自由移动，赋予

石墨烯的结构、制备、性能及应用研究进展

. . .. . . 报告题目：石墨烯的结构、制备、性能及应用研究进展 一、书目信息： 二、评分标准 1.格式规、容简明扼要。报告中引用的数据、观点等要注明出处20分 2. 报告结构合理，表述清晰20分 3. 石墨烯的结构、性能、制备方法概述正确、新（查阅5篇以上的文献）20分 4. 石墨烯的应用研究进展概述（文献）全、新（查阅5篇以上的文献）20分 5. 心得及进一步的研究展望真实，无抄袭与剽窃现象20分 三、教师评语 请根据写作容给定成绩，填入“成绩”部分。 注1：本页由报告题目、书目信息有学生填写，其余由教师填写。提交试卷时含本页。学生从第二页开始写作，要求见蓝色字体部分。 注2：“阅卷教师评语”部分请教师用红色或黑色碳素笔填写，不可用电子版。无“评语”视为不合规。注3：不符合规试卷需修改规后提交。 摘要 碳是自然界中万事万物的重要组成物质，也是构成生命有机体的主要元素。石墨和金刚石是两种典型的单质碳，也是最早为人们所熟知的两种碳的三维晶体结构，属于天然矿

密封线 石。除石墨和金刚石外，碳材料还包括活性炭、碳黑、煤炭和碳纤维等非晶形式。煤是重 要的燃料。碳纤维在复合材料领域有重要的应用。20 世纪80 年代，纳米材料与技术获得 了极大的发展。纳米碳材料也是从这一时期开始进入历史的舞台。1985 年，由60 个碳原 子构成的“足球”分子：C60被三位英美科学家发现。随后，C70、C86等大分子相继出现， 为碳家族添加了一大类新成员：富勒烯。富勒烯是碳的零维晶体结构，它们的出现开启了 富勒烯化学新篇章。三位发现者于1996 年获诺贝尔化学奖。1991 年，由石墨层片卷曲 而成的一维管状纳米结构：碳纳米管被发现。如今，碳纳米管已经成为一维纳米材料的典 型代表。发现者饭岛澄男于2008 年获卡弗里纳米科学奖。2004 年，一位新成员：石墨 烯，出现在碳材料的“家谱”中。石墨烯的发现者，两位英国科学家安德烈·盖姆（Andre Geim）和康斯坦丁·诺沃肖罗夫（Konstantin Novoselov）于2010 年获诺贝尔物理学 奖。 关键词：碳材料复合材料晶体结构 1 石墨烯的结构 石墨烯是sp2杂化碳原子形成的厚度仅为单层原子的排列成蜂窝状六角平面晶体。在单层石墨烯中，碳碳键长为0.142nm，厚度只有0.334nm。石墨烯是构成下列碳同素异型体的基本单元：例如：石墨，碳纳米管和富勒烯。石墨烯被认为是平面多环芳香烃原子晶体。 2 石墨烯的制备 2.1 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。 2.1.1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，利用德华力或毛细管力将单层石墨烯“捞出”。 2.1.2取向附生法—晶膜生长

石墨烯材料的研究进展论文

石墨烯材料的研究进展 摘要：石墨烯是近年被发现和合成的一种新型二维碳质纳米材料。由于其独特的结构 和新奇的物化性能，在改善复合材料的热性能、力学性能和电性能等方面具有很大的潜力，已成为纳米复合材料研究的热点。综述了石墨烯纳米复合材料的制备与应用研究进展，并对石墨烯纳米复合材料的发展前景进行了展望。 关键词：石墨烯；纳米复合材料；制备；应用 1，材料的基本情况 石墨烯是碳原子紧密堆积成单层二维蜂窝状晶格结构的碳质材料，是构成其它碳同素异形体的基本单元。石墨烯的理论研究已有６０多年的历史，一直被认为是假设性的结构，无法单独稳定存在。２００４年，英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫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。石墨烯的出现颠覆了传统理论，使碳的晶体结构形成了从零维的富勒烯、一维的碳纳米管、二维的石墨烯到三维的金刚石和石墨的完整体系。 石墨烯的结构非常稳定。石墨烯内部的碳原子之间的连接很柔韧，当施加外力于石墨烯时，碳原子面会弯曲变形，使得碳原子不必重新排列来适应外力，从而保持结构稳定。这种稳定的晶格结构使石墨烯具有优秀的导热性。石墨烯是构成石墨，木炭，碳纳米管和富勒烯碳同素异形体的基本单元。完美的石墨烯是二维的，它只包括六边形(等角六边形); 如果有五边形和七边形存在，则会构成石墨烯的缺陷。12个五角形石墨烯会共同形成富勒烯。石墨烯卷成圆桶形可以用为碳纳米管 石墨烯的出现在科学界激起了巨大的波澜，人们发现，石墨烯具有非同寻常的导电性能、超出钢铁数十倍的强度和极好的透光性，它的出现有望在现代电子科技领域引发一轮革命。 石墨烯目前是世上最薄却也是最坚硬的纳米材料，它几乎是完全透明的，只吸收2.3%的光；导热系数高于碳纳米管和金刚石，石墨烯是迄今为止世界上强度最大的材料，据测算如果用石墨烯制成厚度相当于普通食品塑料包装袋厚度的薄膜（厚度约100 纳米），那么它将能承受大约两吨重物品的压力，而不至于断裂，石墨烯是世界上导电性最好的材料。 常温下其电子迁移率比纳米碳管或硅晶体高，而电阻率比铜或银更低，为目前世上电阻率最小的材料。因为它的电阻率极低，电子迁移的速度极快，因此被期待可用来发展出更薄、导电速度更快的新一代电子元件或晶体管。由于石墨烯实质上是一种透明、良好的导体，也适合用来制造透明触控屏幕、光板、甚至是太阳能电池。石墨烯另一个特性，是能够在常温下观察到量子霍尔效应。 2，最热的应用合成 石墨烯的应用范围广阔。根据石墨烯超薄，强度超大的特性，石墨烯可被广泛应用于各领域． 根据其优异的导电性，使它在微电子领域也具有巨大的应用潜力。石墨烯有可能会成为硅的替代品，制造超微型晶体管，用来生产未来的超级计算机，碳元素更高的电子迁移率可以使未来的计算机获得更高的速度。最小最快石墨烯晶体管。2011年4月7日IBM向媒体展示了其最快的石墨烯晶体管，该产品每秒能执行1550亿个循环操作，比之前的试验用晶体管快50%。 石墨烯材料还是一种优良的改性剂，在新能源领域如超级电容器、锂离子电池方面，由

石墨烯量子点制备与应用

石墨烯量子点的概述 石墨烯量子点的性质 GQDs是准零维结构的纳米材料，由于其自身半径小于波尔激发半径，原子内部的电子在三维方向上的运动均受到限制，所以量子局域效应十分显着，因此具有许多独特的物理和化学性质。其与传统的半导体量子点(QDs)相比，GQDs 具有如下独特的性质：不含高毒性的金属元素如镉、铅等，属环保型量子点材料；自身结构稳定，耐强酸和强碱，耐光漂白；厚度可达到单个原子层，横向尺寸可达到几个互相联接的苯环大小，却能够保持高度的化学稳定性；带隙宽度范围可调，原则上可通过量子局域效应和边缘效应在0～5 eV 范围内调节，从而将波长范围从近红外区扩展到可见光区及深紫外区，从而满足了各种技术对材料能隙和特征波长的要求；容易实现表面功能化，可稳定分散于常用的化学试剂，满足材料低成本加工处理的需求。GQDs拥有的发光特性主要是通过光致发光和电化学发光产生，其中荧光性能是GQDs最突出的性能，GQDs的荧光性质主要包括：激发荧光稳定性高且具有抗光漂白性；荧光发射波长可以进行可控调节，有些GQDs还具有上转换荧光性质；激发光谱宽且连续，可以进行一元激发、多元发射。目前关于GQDs的光致发光机理主要有两个：(1)官能团效应，即在GQDs表面进行化学修饰，使得GQDs表面产生能量势阱，表面物理化学状态发生显着变化，导致其荧光量子产率提高；(2)尺寸效应，即GQDs的荧光性能取决于粒径尺寸的大小。GQDs还是优良的电子给体和电子受体，因此GQDs在能量存储、光电转化和电磁学领域具有重要的研究意义，同时在生物、医学、材料、新型半导体器件等领域具有重要潜在应用价值。 石墨烯量子点的制备 GQDs的合成方法可以分为两大类：自上而下法和自下而上法，如图1-1所示。自上而下法是通过简单的物理化学作用，进行热解和机械剥离块状石墨，得到尺寸较小的GQDs，是最常用的制备方法，比如改进的Hummers法，其使用的原料廉价，但是反应条件比较苛刻，制备周期比较长，通常需要经过强酸、强氧

石墨烯复合材料应用最新研究进展

2019年3月第46卷第3期 云南化工 Yunnan Chemical Technology Mar.2019 Vol.46，No.3 doi：10.3969/j.issn.1004-275X.2019.03.062 石墨烯复合材料应用最新研究进展 程扬帆 （湖北科技学院，湖北咸宁，437000） 摘要：介绍了石墨烯复合材料在国内外的应用前景及应用进展，着重介绍了利用石墨烯特性应用于电容储能、环境治理、导热散热性能和导电等多领域的研究。石墨烯复合材料的应用潜力巨大，具有非常广阔的市场前景。 关键词：石墨烯；复合材料；应用前景 中图分类号：TQ04文献标志码：A文章编号：1004-275X（2019）03-157-02 Recent Research Progress in the Application of Graphene Composites at Home and Abroad Cheng Yangfan (Hubei Institute of Science and Technology,Xianning,Hubei,437000) Abstract:This paper introduces the application p rospects and progress of graphene composites at home and abroad.It focuses on the application of graphene characteristics in capacitance energy storage, environmental management,thermal conductivity and heat dissipation,conductivity and other fields. Graphene composites have great potential and broad market prospects. Key words:Graphene;Compound material;Application prospect 1石墨烯复合材料及其应用前景 1.1定义与特性 石墨烯被称为“单层石墨片”。它是一种二维的结构，密集的碳原子与石墨的单原子层十分类似，是一种新型碳材料。石墨烯的多种优点造就它多种用途，比如它的比表面积大，可以用于吸附和环境治理；机械强度高可以用于航空航天等；载流子迁移率高可以用于半导体与电容等设备。应用的环境非常广泛，随着石墨烯新型材料国内外发展，石墨烯不但可以显著提升传统产业，还可以为高端制造业的发展提供推力。1.2国内外石墨烯复合材料发展趋势及应用前景 目前，世界上有很多关于石墨烯的讨论。2012年，有近2万篇关于石墨烯研究的论文被纳 入科学研究。中国和美国是前两个国家。与此同时，其他国家也积极参与石墨烯相关专利申请的布局。截至2013年6月，它已申请了3,000多项相关发明专利。从2006-2017年，国内和国际研究呈上升趋势。在“十一五”期间，石墨烯复合技术的发展还处于起步阶段，国内外研究的数量相对较少。在“十二五”期间，国外开展了研究，主要集中在石墨烯的制备和化合物的研究上。随后，石墨烯复合材料的研究进入了快速发展阶段。在过去两年中，研究数量已超过以前的总数。其中，国外研究数量急剧增加，工业化进程不断推进，国内则在重点领域不断扩展提升。 由于石墨烯的重要特性和巨大应用价值，全球多个国家将其定义到发展战略高度。比如亚太地区的日本和中国，美国、以及欧洲欧盟等区域国家。这其中不少国家投入的研究和开发金额达到十亿美元，专门用来研究用于石墨烯材料。美国科技发展战略同样包括石墨烯技术。各国企业也积极进行石墨烯产业的布局，相关开发和研究涉及多家公司，像比如洛克希德·马丁、波音、三星、IBM、杜邦、陶氏化学、索尼等巨头均在公司名单中[1]。 2石墨烯复合材料国内外应用进展 由于石墨烯具有多种独特的优点，将它作为复合材料的填充相，就可以增强材料的相应性能，这就为它的应用提供了多种方向。比如国内外相关研究应用于能量储存、液晶器件、电子器件，而在其他领域比如生物材料、传感材料和催化剂载体等也有较多的报道。随着对石墨烯复合材料研究的不断深入，它应用也越来越受到人们的重视。 2.1石墨烯储能复合材料应用 锂电池是当前用途最广泛的电池能源，锂电池整体性能提升的关键是开发新的电极材料。石墨烯作为一种新型碳质材料，加入到锂离子电池中能够大幅提高其导电性，因为它为锂离子电池解决了两个问题，大幅度提高能量密度与大幅度提高功率密度。相对应的，石墨烯就可以作为电池导电的添加剂了。国内也有报道将它作为复合电极材料的正负极[2]。 157--

综述石墨烯的制备与应用

半导体物理课程作业 石墨烯的制备与应用（材料）

目录 一、石墨烯概述 (2) 二、石磨烯的制备 (3) 1、机械剥离法 (3) 2、外延生长法 (5) 3、化学气相沉积法 (6) 4、氧化石墨-还原法 (6) 5、电弧法 (9) 6、电化学还原法 (9) 7、有机合成法 (10) 三、石墨烯的应用 (11) 1、石墨烯在电子器件领域的应用 (11) 1.1 石墨烯场效应晶体管 (11) 1.2 石墨烯基计算机芯片 (12) 1.3 石墨烯信息存储器件 (13) 2、石墨烯在能源领域的应用 (14) 2.1 石墨烯超级电容器 (14) 2.2 锂离子电池 (15) 2.3 太阳能电池 (16) 2.4 储氢/甲烷器件 (17) 3、石墨烯在材料领域的应用 (18) 3.1 特氟龙材料替代物 (18) 3.2 石墨烯聚合物复合材料 (18) 3.3 光电功能材料 (19) 4、石墨烯在生物医药领域的应用 (20) 4.1 基于氧化石墨烯的纳米载药体系 (20) 4.2 氧化石墨烯对DNA/基因/蛋白的选择性检测 (21) 4.3用于生物成像技术 (23) 4.4 石墨烯在肿瘤治疗方面的应用 (23) 四、总结及展望 (24) 参考文献 (25)

一、石墨烯概述 碳广泛存在于自然界中，是构成生命有机体的基本元素之一。碳基材料是材料界中一类非常具有魅力的物质，从无定形的碳黑到晶体结构的天然层状石墨；从零维纳米结构富勒烯到一维碳纳米管无不给人们带来炫丽多彩的科学新思路。而二维碳基材料石墨烯的发现，不仅极大地丰富了碳材料的家族，而且其所具有的特殊纳米结构和性能，使得石墨烯无论是在理论还是实验研究方面都已展示出了重大的科学意义和应用价值，从而为碳基材料的研究提供新的目标和方向。 碳的晶体结构—石墨和金刚石(三维)是自然界中最早为人们熟知的两种碳同素异构体，因化学成键方式不同而具有截然相反的特性。1985年，一种被称为“巴基 (零维)被首次发现，三位发现者于11年后, 即1996年获诺贝尔球”的足球形分子C 60 化学奖。1991年，由石墨层片卷曲而成的一维管状结构: 碳纳米管被发现，发现者饭岛澄男(Sumio Iijima)于2008年获卡弗里纳米科学奖。石墨烯(Graphene)是只有一个原子层厚的单层石墨片，是石墨的极限形式。作为碳的二维晶体结构, 石墨烯的出现最终为人类勾勒出一幅点、线、面、体(从零维到三维)相结合的完美画面(图1)。 图1 碳的晶体结构 石墨烯作为一种独特的二维晶体，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

石墨烯的结构、制备、性能及应用研究进展

石墨烯的结构、制备、性能及应用研究进展

姓名：学号： 20150700 密封线 报告题目：石墨烯的结构、制备、性能及应用研究进展 一、书目信息： 二、评分标准

姓名：学号： 20150700 密封线

姓名：学号： 20150700 密封线 2. 报告结构合理，表述清晰 20分 3. 石墨烯的结构、性能、制备方法概述正确、 新（查阅5篇以上的文献） 20分 4. 石墨烯的应用研究进展概述（文献）全、新 （查阅5篇以上的文献） 20分 5. 心得及进一步的研究展望真实，无抄袭与剽窃现象 20分 三、教师评语 请根据写作内容给定成绩，填入“成绩”部分。

密封线 注1：本页由报告题目、书目信息有学生填写，其余由教师填写。提交试卷时含本页。学生从第二页开始写作，要求见蓝色字体部分。 注2：“阅卷教师评语”部分请教师用红色或黑色碳素笔填写，不可用电子版。无“评语”视为不合规范。注3：不符合规范试卷需修改规范后提交。 摘要 碳是自然界中万事万物的重要组成物质，也是构成生命有机体的主要元 素。石墨和金刚石是两种典型的单质碳，也是最早为人们所熟知的两种碳的 三维晶体结构，属于天然矿石。除石墨和金刚石外，碳材料还包括活性炭、 碳黑、煤炭和碳纤维等非晶形式。煤是重要的燃料。碳纤维在复合材料领域 有重要的应用。20 世纪80 年代，纳米材料与技术获得了极大的发展。纳米 碳材料也是从这一时期开始进入历史的舞台。1985 年，由60 个碳原子构成 的“足球”分子：C60被三位英美科学家发现。随后，C70、C86等大分子相继 出现，为碳家族添加了一大类新成员：富勒烯。富勒烯是碳的零维晶体结构， 它们的出现开启了富勒烯化学新篇章。三位发现者于1996 年获诺贝尔化学 奖。1991 年，由石墨层片卷曲而成的一维管状纳米结构：碳纳米管被发现。 如今，碳纳米管已经成为一维纳米材料的典型代表。发现者饭岛澄男于2008 年获卡弗里纳米科学奖。2004 年，一位新成员：石墨烯，出现在碳材料的“家 谱”中。石墨烯的发现者，两位英国科学家安德烈·盖姆（Andre Geim）和 康斯坦丁·诺沃肖罗夫（Konstantin Novoselov）于2010 年获诺贝尔物理 学奖。 关键词：碳材料复合材料晶体结构 1 石墨烯的结构 石墨烯是sp2杂化碳原子形成的厚度仅为单层原子的排列成蜂窝状六角平面晶体。在单层石墨烯中，碳碳键长为0.142nm，厚度只有0.334nm。石墨烯是构成下列碳同素异型体的基本单元：例如：石

石墨烯材料研究进展

石墨烯材料研究进展 化学工程与工艺 0909403068 王月 摘要：石墨烯具有非凡的物理及电学性质，如高比表面积、高导电性、高机械强度、易于修饰及大规模生产等。2004年石墨烯的成功剥离，使石墨烯成为形成纳米尺寸晶体管和电路的“后硅时代”的新潜力材料，其产品研发和应用目前正在全球范围内急剧增加。本文通过对石墨烯的特性、制备和应用现状几方面进行了综述。 关键词：石墨烯制备应用进展 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，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（即碳以双键相连或连接其他原子）的基本结构单元，如图1所示。石墨烯的理论研究已有60多年的历史，但直至2004年，英国曼彻斯特大学物理学家安德烈〃海姆和康斯坦丁〃诺沃肖洛夫，

利用胶带剥离高定向石墨的方法获得真正能够独立存在的二维石墨 烯晶体，并发现了石墨烯载流子的相对论粒子特性，才引发石墨烯研 究热。这以后，制备石墨烯的新方法层出不穷，人们发现，将石墨烯 引入工业化生产的领域已为时不远了[1]。 1石墨烯的特性 石墨烯是零带隙半导体，有着独特的载流子特性，为相对论力学 现象的研 究提供了一条重要 途径；电子在石墨 烯中传输的阻力很 小，在亚微米距离 移动时没有散射，具 有很好的电子传输 性质；石墨烯韧性 好，它们每100nm 距离上承受的最大 压力可达2.9N ［2］，是迄今为止发现的力学性能最好的材料之一。石墨烯特有的 能带结构使空穴和电子相互分离，导致了新电子传导现象的产生,如 量子干涉效应、不规则量子霍尔效应。Novoselov 等观察到石墨烯具 有室温量子霍耳效应，使原有的温度范围扩大了10倍。石墨烯在很 多方面具备超越现有材料的特性，具体如图 2 ［3］所示，日本企业的 一名技术人员形容单层石墨碳材料“石墨烯”是“神仙创造的材料”。 图2 石墨烯的特点

石墨烯项目申报材料

石墨烯项目 申报材料 规划设计/投资分析/产业运营

石墨烯项目申报材料说明 2016年8月，国务院出台的《十三五国家科技创新规划》明确重点发展以石墨烯等为代表的先进碳材料。2017年1月，工信部、发改委、科技部、财政部联合发布了《新材料产业发展指南》，对石墨烯、超导材料等提出了任务要求，提出大力发展石墨烯产业。2017年4月，科技部发布《十三五材料领域科技创新》，明确指出了石墨烯碳材料技术发展领域：单层薄层石墨烯粉体、高品质大面积石墨烯薄膜工业制备技术，柔性电子器件大面积制备技术，石墨烯粉体高效分散、复核与应用技术，高催化活性炭及材料应用技术。 该石墨烯项目计划总投资5133.17万元，其中：固定资产投资4044.47万元，占项目总投资的78.79%；流动资金1088.70万元，占项目总投资的21.21%。 达产年营业收入7693.00万元，总成本费用5895.79万元，税金及附加87.16万元，利润总额1797.21万元，利税总额2132.26万元，税后净利润1347.91万元，达产年纳税总额784.35万元；达产年投资利润率35.01%，投资利税率41.54%，投资回报率26.26%，全部投资回收期5.31年，提供就业职位106个。

坚持“实事求是”原则。项目承办单位的管理决策层要以求实、科学 的态度，严格按国家《建设项目经济评价方法与参数》（第三版）的要求，在全面完成调查研究基础上，进行细致的论证和比较，做到技术先进、可靠、经济合理，为投资决策提供可靠的依据，同时，以客观公正立场、科 学严谨的态度对项目的经济效益做出科学的评价。 ...... 报告主要内容：项目基本情况、项目建设及必要性、市场分析预测、 建设规划方案、选址分析、土建工程、工艺说明、环境保护说明、项目职 业安全、风险评价分析、项目节能情况分析、实施安排、项目投资规划、 项目经济评价分析、总结说明等。

石墨烯的制备与应用--课程论文

石墨烯的制备与应用前景 石墨烯是由碳原子以sp2链接的单元子层构成，其基本结构为有机材料中最稳定的苯六元环。它是目前发现的最薄的二维材料。石墨烯是构成其他石墨材料的基本单元，它可以翘曲成为零维的富勒烯,卷曲成为一维的CNTs或者堆垛成为三维的石墨。石墨烯是人类已知强度最高的物质，比钻石还坚硬，厚度相当于普通食品塑料袋的石墨烯能够承担大约两吨重的物品。石墨烯最大的特点是石墨 烯最大的特性是其中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。这使得石墨烯中的电子，或更准确地，应称为“载荷子”的性质和相对论性的中微子非常相似。此外石墨烯有相当的不透明度：可以吸收大约2.3%的可见光。而这也是石墨烯中载荷子相对论性 的体现。 石墨烯的合成方法 1.微机械剥离法 这是最早制备出石墨烯的方法。2004年Novoselovt等用这种方法制备出了单层石墨烯。典型制备方法是用另外一种材料膨化或者引入缺陷的热 解石墨进行摩擦，体相石墨的表面会产生絮片状的晶体，在这些絮片状的 晶体中含有单层的石墨烯。但缺点是此法是利用摩擦石墨表面获得的薄片 来筛选出单层的石墨烯薄片，其尺寸不易控制，无法可靠地制造长度足供 应用的石墨薄片样本。 2.外延生长法 一般是通过加热6H—SiC单晶表面，脱附Si(0001面)原子制备出石墨烯．先将6H- SiC单晶表面进行氧化或H 刻蚀预处理在超高真空下加热去除表面氧化物，通过俄歇电子能谱确认氧化物完全去除后，继续恒温加热10-20分钟，所得的石墨烯片层厚度主要由这一步骤的温度所决定，这种方法能够制备出l-2碳原子层厚的石墨烯，但由于SiC晶体表面结构较为复杂，难以获得大面积、厚度均一的石烯。与机械剥离法得到的石墨烯相比，外延生长法制备的石墨烯表现出较高的载流子迁移率等特性，但观测不到量子霍尔效应。 3.碳纳米管轴向切割法 前文已经提到过，碳纳米管从结构上可以看作是由单层的石墨烯纳米带卷曲

石墨烯在锂电池中的应用研究

LUOYANG NORMAL UNIVERSITY 2015届本科毕业论文 石墨烯在锂离子电池材料中的应用研究 院（系）名称化学化工学院 专业名称化学工程与工艺 学生姓名雷丙丽 学号110644058 指导教师刘丰讲师 完成时间2015年04月

石墨烯在锂离子电池材料中的应用研究 摘要：石墨烯是单原子层紧密堆积的一种特殊石墨材料，在电学、热学、力学等方面具有独特的构造和优良的功能，可以发挥其重要的作用。因为石墨烯具有较高的电导率、超大的比表面积、高的化学稳定性等优良的化学和物理特性，所以它在锂离子电池材料中的研究引起了人们的广泛关注。文章不仅综述了石墨烯的结构和制备工艺以及改性方法，而且介绍了石墨烯作为锂离子电池材料的最新研究进展，还分析了石墨烯各制备和改性方法对锂离子电池材料的影响，并对石墨烯在锂离子电池材料中应用的发展趋势进行了展望。 关键词：石墨烯；锂离子电池材料；电化学 The application of graphene in lithium-ion battery materials research Abstract：Graphene is a single atomic layer close packing of a kind of special graphite material, such as electrical, thermal and mechanical aspects has unique structure and excellent performance, can play its important role. Because of properties of high electrical conductivity, large surface area, and chemical stability, graphene holds great promising for potential applications in electrode materials for lithium-ion battery, it is in the lithium-ion battery materials research has attracted widespread attention. Article summarizes the modification of graphene and graphene is introduced as a new research progress of the lithium-ion battery materials, graphene is analyzed the influence of the preparation and applications of graphene in lithium-ion battery material development trend is prospected. Keywords：graphene; the modification of graphene; lithium—ion battery material 1 引言 近几年来，为了进一步实现可持续发展，锂离子电池受到人们的普遍关注，世界

石墨烯的研究进展概述

龙源期刊网 https://www.wendangku.net/doc/4610404831.html, 石墨烯的研究进展概述 作者：兰耀海 来源：《建材发展导向》2014年第03期 摘要：由于石墨烯具有独特的结构和优越的性能，现己逐渐应用于电子材料、薄膜材 料、储能材料、液晶材料、催化材料等先进的功能材料领域。石墨烯复合材料是石墨烯应用研究中的重要领域，近年来已成为材料研究的热门领域。文章主要对石墨烯的物理化学性质、制备方法、石墨烯复合材料以及应用领域进行简单总结，并对未来石墨烯复合材料的发展做一展望。 关键词：石墨烯；复合材料；研究进展 1 石墨烯的物理化学性质 石墨烯是一种由碳原子构成的单层片状结构的新材料，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，是只有一个碳原子厚度的二维材料。石墨烯一直被认为是假设性的结构，无法单独稳定存在，直到2004年，英国科学家成功地在实验中从石墨中分离出石墨烯，从而证实它可以单独存在。石墨烯具有特殊的单原子层结构和奇特的物理性质：强度达130GPa、热导率约5000J/（m·K·S），禁带宽度几乎为零、载流子迁移率达到2×105cm2/（V·s），具有极高的透明度（约为97.7%）、表面积的理论计算值为2630m2/g，石墨烯的杨氏模量（1100GPa）和断裂强度（125GPa）与碳纳米管相当，它还具有分数量子霍尔效应、量子霍尔铁磁性和零载流子浓度极限下的最小量子电导率等一系列优良性质。 石墨烯是一种由碳原子构成的单层片状结构的新材料。是世上最薄却也是最坚硬的纳米材料，它几乎是完全透明的，只吸收大约2.3%的光。石墨烯的物理性能优越可以翘曲成零维的富勒烯，卷成一维的碳纳米管或者堆垛成三维的石墨。石墨烯的基本结构单元为有机材料中最稳定的苯六元环，理想的石墨烯结构是平面六边形点阵，可以看作是一层被剥离的石墨分子，每个碳原子均为sp2杂化，并贡献剩余一个p轨道上的电子形成大π键，π电子可以自由移动，这赋予石墨烯良好的导电性。 2 石墨烯的制备方法 自从2004年曼彻斯特大学的研究小组发现了单层及薄层石墨烯以来，石墨烯的制备引起学术界的广泛关注。由于二维晶体结构在有限温度下是极不稳定，而考察石墨烯的基本性质并充分发挥其优异性能需要高质量的单层或薄层石墨烯，这就要求寻找一种石墨烯的制备方法来满足日益增长的研究及应用需求。 目前石墨烯的制备方法主要划分为三类：第一类为化学剥离法，这种方法通过制备氧化石墨作为前躯体，使用化学还原，溶剂热还原，热膨胀还原等手段得到对应的石墨烯。第二类为

石墨烯

石墨烯简介 有这样一种材料，它的机械强度是世界上最好钢的100倍，有着最快的电子迁移率，1秒内就可以传完两张蓝光DVD的容量……这就是石墨烯。 石墨烯是从石墨中剥离出的单层碳原子面材料，由碳原子紧密堆积成单层二维蜂窝状晶格结构，也可称为“单层石墨”（碳原子以sp2混成轨域呈蜂巢晶格排列构成的单层二维晶体，由碳原子和其共价键所形成的原子尺寸网，为平面多环芳香烃原子晶体），它是人类已知的厚度最薄、质地最坚硬、导电性最好的材料。 一、石墨烯发展简史 20世纪初，科学家开始接触到石墨烯。2004年,英国曼彻斯特大学的物理学教授安德烈〃杰姆（AndreGeim）和他的学生克斯特亚〃诺沃消洛夫（Ko-styaNovoselov）用简单易行的胶带分离法制备出了石墨烯。他们从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，把石墨片一分为二，不断重复这样的操作，于是薄片越来越薄，最后得到了仅由一层碳原子构成的薄片，即石墨烯。2010年,他们二人凭借着在石墨烯方面的创新研究获得了诺贝尔物理学奖。获奖后，一些媒体渲染性地报道：“物理学家用透明胶和铅笔赢得诺贝尔奖。” 二、特性 石墨烯具有优异的力学、光学和电学性质：结构非常稳定，迄今为止研究者仍未发现石墨烯中有碳原子缺失的情况，碳原子之间的连接非

常柔韧，比钻石还坚硬，强度比世界上最好的钢铁还要高上100倍，如果用石墨烯制成包装袋，它将能承受大约两吨重的物品；几乎完全透明，却极为致密、不透水、不透气，即使原子尺寸最小的氦气也无法穿透；导电性能好，石墨烯中电子的运动速度达到了光速的1/300，导电性超过了任何传统的导电材料；化学性质类似石墨表面，可以吸附和脱附各种原子和分子，还有抵御强酸强碱的能力。 三、制备方法 石墨烯的制备方法主要有机械法和化学法两种。机械法包括微机械分离法、取向附生法和加热碳化硅法，化学法包括化学还原法与化学解理法、化学气相沉积法等。 2008年，常州二维碳素科技有限公司于庆凯博士首次提出以铜箔为基质的化学气相沉积法合成石墨烯，这已成为目前石墨烯合成的主要方法。2010年，韩国科学家用此项技术较便宜地制备出了30英寸的石墨烯，并研制出以石墨烯为电极的触摸屏样品。 四、应用方向 石墨烯在物理学、化学、信息、能源以及器件制造等领域,都具有巨大的研究价值和应用前景。可用于制造超轻防弹衣、超薄超轻型飞机材料、“太空电梯”缆线、抗菌材料、超微型晶体管、代替硅用于电子产品、生产未来的超级计算机等等。 也许有一天，你会在电视上看到这样的广告。“××电脑采用1.5T 石墨烯处理器……”；也许有一天，你把掌上电脑三折两叠塞进牛仔裤后兜，这比各种Pad都拉风；也许有一天，应用了石墨烯的光调制器，可使网络速度快一万倍；也许有一天，石墨烯实现了直接快速低成本