石墨烯浅析

3012208071刘晓昱材料学院2012级金属三班石墨烯浅析——科普小论文摘要：石墨烯是最近发现的一种具有二维平面结构的碳纳米材料，它的特殊单原子层结构使其具有许多独特的物理化学性质．有关石墨烯的基础和应用研究已成为当前的前沿和热点课题之一．本文仅就目前石墨烯的制备方法、功能化方法以及在化学领域中的应用作一综述，重点阐述石墨烯应用于化学修饰电极、化学电源、催化剂和药物载体以及气体传感器等方面的研究进展，并对石墨烯在相关领域的应用前景作了展望。关键词：石墨烯；碳材料；石墨烯氧化物；石墨烯功能化：石墨烯应用固态相变课程上经常提起的新型碳材料究竟是什么。以此为题，简单谈谈最近火热的课题——石墨烯。碳材料是一种地球上较普遍而特殊的材料，它可以形成硬度较大的金刚石，也可以形成较软的石墨。1985年发现的富勒烯和1991年发现的碳纳米管（CNTs）均引起了巨大的反响，兴起碳材料研究热潮，而在石墨烯发现之前，已经出现的零维的富勒烯，以维的CNTs，三维的金刚石和石墨，体系不完整，而二维结构碳材料一直被认为只是假设性结构，无法单独存在。直到2004年，Manchester大学的Geim小组首次用机械剥离法，或者说是简单的“撕胶带法”，即从石墨中剥离出石墨片，然后将薄片的两个面粘在一种特殊胶带上，撕开胶带，把石墨片一分为二，不断重复操作直到获得单层或薄层的新型二维薄片，这就是最早发现的石墨烯。它的出现在科学界掀起了巨大波澜。石墨烯是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成六角形呈蜂巢晶格的平面薄膜，其基本结构单元为有机材料中最稳定的苯六元环，其理论厚度仅有0.35nm，是目前所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，可以翘曲变成零维的富勒烯，卷曲形成一维的CNTs或者堆垛成三维的石墨。这种结构蕴含了丰富而奇特的物理现象，使石墨烯表现出许多优异的物理化学性质。3012208071刘晓昱材料学院2012级金属三班1)导电性极强：石墨烯中的电子没有质量，电子的运动速度超过了在其他金属单体或是半导体中的运动速度，能够达到光速的1／300，是世界上电阻率最小的材料，拥有超强导电性。2)良好的导热性：石墨烯的导热性能优于碳纳米管和金刚石，普通碳纳米管的导热系数可达3500瓦／米水度，而单层石墨烯的导热系数可达5300瓦／米水度，远高于各种金属中导热系数相对较高的银、铜、金、铝等。3)极好的透光性：这种单层六边形碳原子材料仅仅吸收2．3％的光，并使所有光谱的光均匀地通过。4)超高强度：石墨是矿物质中最软的，其莫氏硬度只有l一2级，但被分离成一个碳3012208071刘晓昱材料学院2012级金属三班原子厚度的石墨烯后，性能发生突变，硬度比莫氏硬度10级的金刚石还高，却又拥有很好的韧性，可以弯曲。5)超大比表面积：石墨烯拥有超大的比表面积，这使得石墨烯成为潜力巨大的储能材料。有了这些优点之后，我们来看看石墨烯在功能化之后在物理化学中的应用。1)电化学方向，石墨烯良好的导电性，宽的电位窗及对许多氧化还原反应较高的电化学催化活性等特征，广泛的被用于电极的制作材料，其大的比表面积和生物相容性，用于生物蛋白质火酶等生物大分子的固定及特定生物电化学传感器的制作。而在新型的化学电源体系中，尤其是二次电池和超级电容器方面，CNTs正发挥着重要作用，类似于CNTs，石墨烯的应用前景十分广阔。2)室温下石墨烯具有10倍于商用硅片的高载流子迁移率，并且受温度和掺杂效应影响很小，是石墨烯作为纳电子器件最突出的优势；超高频率操作响应特性是石墨烯电子器件的另一显著优势，尤其适合于高频电路。传统器件电路的工作频率越高，热量也越高，高频提升受到很大的限制，而石墨烯由于其绝佳的导电和导热性能，高频提升前景变得无限广阔了。此外，石墨烯减小到纳米尺度同样保持很好的稳定性和电学性能，也使探索单电子器件成为可能。3)铟锡氧化物(ITO)由于其高的电导率和光透射率已被广泛用作太阳能电池的电极材料，但这种金属资源短缺，需要找到替代品，而石墨烯具有良好的透光性和导电性，很有潜力成为ITO的替代材料。4)由于石墨烯具有单原子结构，其比表面积很大，且由于其良好的生物相容性，非常适合用作药物载体，Dai等首先制备了聚乙二醇功能化的石墨烯，使石墨烯具有很好的水溶性，并且能在血浆等生理环境下保持稳定分散，然后利用π-π相互作用首次成功地将抗肿瘤药物SN38负载到石墨烯上，开启了石墨烯在生物药物方面的应用研究。5)目前欧盟、亚太等都已经开始着手5G技术的研究，事实上对于5G时代可能需要引入的各项关键技术，如网络编码，认知无线电，大阶数MIMO，动态覆盖等，都离不开尽可能快的芯片处理速度，尽可能低的功耗，尽可能小的部署代价这些要求。业界规划，2020年左右5G商用，并明确提出典型用户数据速率高于10GbiCs、设备电池续航时问增加10倍等目标，而石墨烯材料广泛应用的时间和能力都恰好将与之匹配，我们有理由相信，石墨烯，将开启5G时代。3012208071刘晓昱材料学院2012级金属三班因为从未从事这方面的学习，不敢妄谈石墨烯的制备与表征，但阅读论文过程中，现在石墨烯的研究和应用的关键之一是石墨烯的大规模，低成本，可控的合成和制备，而难点也恰恰在此，机械剥离法机械剥离法无法满足未来工业化的需求；氧化石墨还原法虽然能够以相对较低的成本制备出大量的石墨烯，然而石墨烯的电子结构以及晶体的完整性均受到强氧化剂严重的破坏，使其电子性质受到影响，一定程度上限制了其在微电子器件方面的应用。化学沉积法虽然可以制得大面积且性能优异的石墨烯，但现阶段工艺的不成熟以及较高的成本限制了其大规模的应用．因此，如何大量、低成本制备出高质量的石墨烯材料仍然是未来研究的一个重点。近年来，石墨烯的功能化已经取得了很大的进展，但为了充分发挥石墨烯的优异性能，进一步拓展其应用领域，还需要开发并完善新的功能化方法。在实现石墨烯的规模化制备和有效功能化方法等一列关键问题得到解决后，石墨烯的应用范围将更加广阔。参考文献：张雅琪张欣——一种促使下一代无线通信技术变革的新材料——石墨烯应用初探高峰曲江英赵宗彬董琰峰杨卷董强邱介山——氧化亚锰/石墨烯复合材料的简易合成及其高效储锂性能胡耀娟金娟张卉吴萍蔡称心——石墨烯的制备、功能化及在化学中的应用