畢業(yè)論文--- 石墨烯的制備及應(yīng)用研究的進(jìn)展

1、<p><b>　　畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）</b></p><p>　　題目： 石墨烯的制備及應(yīng)用研究的進(jìn)展</p><p>　　2012年6月13日</p><p>　　畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）評(píng)語(yǔ)及成績(jī)</p><p>　院（系）理學(xué)院</p><p>　專(zhuān) 業(yè)化學(xué)</p>&

2、lt;p>　年 級(jí)2008級(jí)化學(xué)系1班</p><p>　姓 名學(xué) 號(hào)</p><p>　指導(dǎo)教師職 稱(chēng)副教授</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　摘 要1</b></p><p>　　Abstract2</

3、p><p><b>　　前 言3</b></p><p>　　第一章 石墨烯的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)5</p><p>　　1.1 石墨烯的結(jié)構(gòu)5</p><p>　　1.2 石墨烯的性質(zhì)5</p><p>　　1.2.1石墨烯的電學(xué)性質(zhì)6</p><p>　　1.2.2

4、室溫下的量子霍爾效應(yīng)6</p><p>　　1.2.3表面性質(zhì)的尺寸效應(yīng)6</p><p>　　第二章 石墨烯的制備以及改性方法8</p><p>　　2.1 制備方法8</p><p>　　2.1.1微機(jī)械剝離法8</p><p>　　2.1.2化學(xué)氣相沉積法8</p><p>

5、;　　2.1.3表面外延生長(zhǎng)法9</p><p>　　2.1.4氧化石墨還原法9</p><p>　　2.1.5電化學(xué)法10</p><p>　　2.1.6淬火法10</p><p>　　2.1.7原位自生模板法10</p><p>　　2.2 石墨烯的改性11</p><p>　

6、　2.2.1石墨烯的表面改性11</p><p>　　2.2.2制備聚合物基復(fù)合材料12</p><p>　　第三章 石墨烯的應(yīng)用領(lǐng)域14</p><p>　　3.1 石墨烯在分析科學(xué)上的應(yīng)用14</p><p>　　3.1.1基于石墨烯的樣品前處理技術(shù)14</p><p>　　3.1.2石墨烯在熒光分析

7、中的應(yīng)用15</p><p>　　3.1.3石墨烯在質(zhì)譜分析中的應(yīng)用15</p><p>　　3.2 石墨烯在納電子器件方面的應(yīng)用16</p><p>　　3.3 石墨烯材料在電化學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用16</p><p>　　3.3.1在鋰離子電池中的應(yīng)用16</p><p>　　3.3.2在超級(jí)電容器中的應(yīng)用

8、18</p><p>　　3.4 石墨烯其它的潛在應(yīng)用18</p><p>　　第四章 展望20</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)22</b></p><p><b>　　致 謝25</b></p><p><b>　　摘 要</b>

9、;</p><p>　　石墨烯是目前發(fā)現(xiàn)的唯一存在的二維自由態(tài)原子晶體, 它是構(gòu)筑零維富勒烯、一維碳納米管、三維體相石墨等sp2雜化碳的基本結(jié)構(gòu)單元, 具有很多奇異的電子及機(jī)械性能。自從2004年發(fā)現(xiàn)以來(lái)，研究者對(duì)這種材料在未來(lái)技術(shù)革命方面提出了大量的建設(shè)性創(chuàng)意，石墨烯被認(rèn)為是未來(lái)能夠取代硅的一種新型電子材料。石墨烯是只有一個(gè)原子厚的結(jié)晶體，具有超薄、超堅(jiān)固和超強(qiáng)導(dǎo)電性等特性，其優(yōu)異的電學(xué)、熱學(xué)和力學(xué)性能，在納米

10、電子器件、儲(chǔ)能材料、光電材料等方面的潛在應(yīng)用價(jià)值引起了科學(xué)界新一輪的“碳”熱潮。本文首先從石墨烯的發(fā)現(xiàn)入手，之后對(duì)其結(jié)構(gòu)和性質(zhì)進(jìn)行了簡(jiǎn)單的概述，并對(duì)石墨烯的改性、制備以及應(yīng)用等方面進(jìn)行了綜述，最后對(duì)其在未來(lái)的發(fā)展前景進(jìn)行了展望。</p><p>　　關(guān)鍵字：石墨烯；制備；改性；應(yīng)用；展望</p><p><b>　　Abstract</b></p>&l

11、t;p>　　Graphite surfaces is currently the only discovery existing 2 d free state atomic crystal, it is building zero d fullerenes, a d carbon nanotubes,3 d body in the hybrid carbon graphite sp2 the basic structure of

12、unit, have a lot of strange electronic and mechanical properties. Since 2004 years since its discovery, the researchers for such materials in the future technology revolution put forward a lot of constructive ideas, grap

13、hite surfaces is considered to be the future of silicon can take the </p><p>　　Keywords:Graphene;preparation;Modified;Application;prospect</p><p><b>　　前 言</b></p><p>　

14、　近年來(lái)，碳納米技術(shù)的研究相當(dāng)活躍，多種多樣的納米碳結(jié)晶、針狀、棒狀、桶狀等層出不窮。隨著研究的不斷深入，碳納米材料在人類(lèi)生產(chǎn)和生活中正顯示出越來(lái)越多的不可替代的重要作用。目前，碳納米材料已從富勒烯和納米管擴(kuò)展到納米角、石墨烯直至最近剛剛出現(xiàn)的石墨炔等一系列新材料，極大地推動(dòng)納米科學(xué)的繁榮。作為納米科學(xué)最為活躍的研究領(lǐng)域之一，碳納米材料在納米科學(xué)的快速發(fā)展方面起到了很大推動(dòng)作用。其中，20世紀(jì)80年代以來(lái)發(fā)現(xiàn)的富勒烯、納米管和石墨烯等碳

15、納米材料作用尤為突出。本文主要介紹的就是石墨烯這種新型的材料。</p><p>　　科學(xué)家在20世紀(jì)40年代就對(duì)類(lèi)似石墨烯的結(jié)構(gòu)進(jìn)行過(guò)理論研究，但在此后很長(zhǎng)時(shí)間里，制取單層石墨烯的努力一直沒(méi)有成功，有人認(rèn)為這樣的二維材料是不可能在常溫下穩(wěn)定存在的。在英國(guó)曼徹斯特大學(xué)工作的安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫，用普通膠帶完成了他們的“魔術(shù)”。他們用膠帶從石墨上粘下薄片，這樣的薄片仍然包含許多層石墨

16、烯。但反復(fù)粘上十到二十次之后，薄片就變得越來(lái)越薄，最終產(chǎn)生一些單層石墨烯。這個(gè)看上去非常簡(jiǎn)單、一點(diǎn)兒也不高科技的方法，并不是他們的首創(chuàng)。在此之前就有人試過(guò)，但沒(méi)能辨識(shí)出單層石墨烯。</p><p>　　2004年，英國(guó)曼徹斯特大學(xué)的安德烈·K·海姆(Andre K. Geim)等制備出了石墨烯。海姆和他的同事偶然中發(fā)現(xiàn)了一種簡(jiǎn)單易行的新途徑。他們強(qiáng)行將石墨分離成較小的碎片，從碎片中剝離出較薄的

17、石墨薄片，然后用一種特殊的塑料膠帶粘住薄片的兩側(cè)，撕開(kāi)膠帶，薄片也隨之一分為二。不斷重復(fù)這一過(guò)程，就可以得到越來(lái)越薄的石墨薄片，而其中部分樣品僅由一層碳原子構(gòu)成——他們制得了石墨烯。</p><p>　　石墨烯2004年被發(fā)現(xiàn)，是近幾年飛速發(fā)展起來(lái)的一種碳納米材料，是迄今為止世界上強(qiáng)度最大的材料，也是世界上導(dǎo)電性最好的材料。它具有超薄、強(qiáng)韌、穩(wěn)定、導(dǎo)電性好等諸多現(xiàn)有材料無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)，可被廣泛應(yīng)用于軍事、計(jì)算機(jī)、

18、微電子等各領(lǐng)域比如超輕防彈衣、超薄超輕型飛機(jī)材料等，也被業(yè)內(nèi)人士喻為半導(dǎo)體的終極技術(shù)。另外，石墨烯材料還是一種優(yōu)良的改性劑，運(yùn)用于在新能源領(lǐng)域如超級(jí)電容器、鋰離子電池方面。雖然石墨烯發(fā)現(xiàn)不足10年，但目前已步入研究的黃金時(shí)期。石墨烯被稱(chēng)為21世紀(jì)的“神奇材料”，自被發(fā)現(xiàn)開(kāi)始就廣受關(guān)注，盡管如此，石墨烯未來(lái)發(fā)展還具有很大的不確定性，因?yàn)?，它存在一個(gè)非常嚴(yán)峻的問(wèn)題——石墨烯目前還處于研發(fā)階段，尚沒(méi)有出現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化動(dòng)向，整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈也沒(méi)有形成。要真

19、正大規(guī)模應(yīng)用，還需要經(jīng)過(guò)相當(dāng)長(zhǎng)的科研。有關(guān)專(zhuān)家表示，雖然石墨烯的應(yīng)用前景可觀，但是就目前情況來(lái)看，預(yù)計(jì)在未來(lái)8～10年內(nèi)無(wú)法形成產(chǎn)業(yè)化。鑒于石墨烯的諸多優(yōu)點(diǎn)、未被開(kāi)發(fā)出來(lái)的潛力和在未來(lái)發(fā)展中占有的重要地位。本文對(duì)石墨烯的性質(zhì)應(yīng)用等方面進(jìn)行了綜述，以期望對(duì)科學(xué)研究者們提供一些理論依據(jù)，奉獻(xiàn)自己的一份綿薄之力。</p><p>　　第一章 石墨烯的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)</p><p>　　1.1 石

20、墨烯的結(jié)構(gòu)</p><p>　　石墨烯的問(wèn)世引起了全世界的研究熱潮。它不僅是已知材料中最薄的一種，還非常牢固堅(jiān)硬，僅僅是一個(gè)原子的厚度，并形成了高質(zhì)量的晶體格柵，石墨烯的結(jié)構(gòu)如(圖1-1)[1]所示，是由碳原子六角結(jié)構(gòu)緊密排列構(gòu)成的二維單層石墨，是構(gòu)造其他維度碳質(zhì)材料的基本單元。它可以包裹形成0維富勒烯，也可以卷起來(lái)形成一維的碳納米管，同樣，它也可以層層堆疊構(gòu)成三維的石墨。</p><p>

21、;　　石墨烯結(jié)構(gòu)非常穩(wěn)定，迄今為止，研究者仍未發(fā)現(xiàn)石墨烯中有碳原子缺失的情況。石墨烯中各碳原子之間的連接非常柔韌，當(dāng)施加外部機(jī)械力時(shí)，碳原子面就彎曲變形，從而使碳原子不必重新排列來(lái)適應(yīng)外力，也就保持了結(jié)構(gòu)穩(wěn)定[2]。 </p><p>　　這種穩(wěn)定的晶格結(jié)構(gòu)使碳原子具有優(yōu)秀的導(dǎo)電性。石墨烯中的電子在軌道中移動(dòng)時(shí)，不會(huì)因晶格缺陷或引入外來(lái)原子而發(fā)生散射。由于原子間作用力十分強(qiáng)，在常溫下，即使周?chē)荚影l(fā)生擠撞，石墨

22、烯中電子受到的干擾也非常小[3]。</p><p>　　圖1-1單層石墨烯及派生物示意圖</p><p>　　1.2 石墨烯的性質(zhì)</p><p>　　目前已報(bào)道的石墨烯的異常性質(zhì)有楊氏模量，大概為l.100 GPa，斷裂強(qiáng)度為125 GPa，熱傳導(dǎo)系數(shù)為大約5.000 W/m.K，載流子遷移率為200.000 cm2/v.s[4]，比表面積理論值為2.630 1

23、112/ g[5]．</p><p>　　1.2.1石墨烯的電學(xué)性質(zhì)</p><p>　　從石墨烯的能帶結(jié)構(gòu)我們可知，石墨烯是一種零帶隙材料。即使在室溫條件下，電子和空穴都可以連續(xù)共同存在，載流子濃度可以高達(dá)1013 cm-3，遷移率μ可以超過(guò)200,000 cm2/v·s。</p><p>　　此外，遷移率微弱依賴(lài)于周?chē)臏囟萒，在300 K的時(shí)測(cè)得的遷

24、移率值受到雜質(zhì)散播的限制，實(shí)際通過(guò)改變溫度還有提高的余地。在高摻雜半導(dǎo)體中，一些半導(dǎo)體在室溫下的遷移率 μ 高達(dá)77,000 cm2 /v·s，當(dāng)石墨烯進(jìn)行高濃度摻雜時(shí)，同樣會(huì)有更高的遷移率。</p><p>　　薛定諤方程能夠足以描述材料的電子特性，在石墨烯粒子中的電荷傳導(dǎo)更容易由狄拉克方程描述，因此這給凝聚態(tài)物理和量子電動(dòng)力學(xué)之間提供了一個(gè)橋梁。</p><p>　　1.2.

25、2室溫下的量子霍爾效應(yīng)</p><p>　　量子霍爾效應(yīng)是量子力學(xué)中一個(gè)非常重要的效應(yīng)，它一般只發(fā)生在微小的尺度上。這個(gè)效應(yīng)通常在非常低的溫度才能觀察到，這個(gè)溫度一般要低于液體氦的沸點(diǎn)，人們常采用含有較小有限質(zhì)量的半導(dǎo)體來(lái)擴(kuò)大量子霍爾效應(yīng)的溫度范圍，但目前所能達(dá)到的溫度也在30 K以下。這個(gè)在低溫、高磁場(chǎng)下二維金屬電子氣體中發(fā)現(xiàn)的效應(yīng)，已經(jīng)闡明了許多重要的量子力學(xué)的問(wèn)題。</p><p>

26、　　然而，最近，已被觀察到石墨烯在室溫下的量子霍爾效應(yīng)，因?yàn)樗覝叵碌膹椀肋\(yùn)輸性質(zhì)以及化學(xué)和機(jī)械學(xué)的穩(wěn)定性。石墨烯中的載流子就像無(wú)質(zhì)量的迪拉克費(fèi)米子一樣，它有著非比尋常的特性，在周?chē)沫h(huán)境中，載流子遷移時(shí)很少發(fā)生散射，從而開(kāi)辟了新的以石墨烯為基礎(chǔ)阻抗標(biāo)準(zhǔn)和較高溫度下的新型量子器件工作研究，成為一種在日后應(yīng)用中很有希望的候選材料。</p><p>　　1.2.3表面性質(zhì)的尺寸效應(yīng)</p><p&

27、gt;　　當(dāng)顆粒的尺寸進(jìn)入納米級(jí)別之后，納米材料將具有一些宏觀材料所不具備的一些性質(zhì)，這些性質(zhì)比較特別，我們常稱(chēng)為小尺寸效應(yīng)。近幾年來(lái)的研究發(fā)現(xiàn)已經(jīng)存在單原子層厚的二維的金屬膜，同時(shí)這些膜的厚度還可以采用不同的手段進(jìn)行非常精確的控制。這些金屬膜中存在很多奇特的性質(zhì)，比如超導(dǎo)溫度和表面的化學(xué)反應(yīng)特性都會(huì)隨單原子層厚度變化呈現(xiàn)出振蕩現(xiàn)象。但是這些金屬膜只有在非常低溫度下才能穩(wěn)定存在，所以其廣泛應(yīng)用的前景大為受限。</p>&l

28、t;p>　　最新的研究表明，在石墨烯表面蒸鍍其它的原子，其在不同層數(shù)的石墨烯表面擴(kuò)散系數(shù)及擴(kuò)散勢(shì)壘與層數(shù)密切相關(guān)，而擴(kuò)散勢(shì)壘不同的原因可以歸因于量子尺寸效應(yīng)[6]。</p><p>　　第二章 石墨烯的制備以及改性方法</p><p><b>　　2.1 制備方法</b></p><p>　　大量制備尺寸、厚度可控的石墨烯材料對(duì)石墨烯

29、基材料的應(yīng)用具有重要的意義。制備石墨烯可以歸結(jié)為兩個(gè)基本的思路：一是以石墨為原料，通過(guò)削弱以及破壞石墨層間的范德華力來(lái)剝開(kāi)石墨層從而得到石墨烯：二是基于活性碳原子的定向組裝，“限制”碳原子沿平面方向生長(zhǎng)。基于上述思想，化學(xué)剝離法、SiC表面石墨化法和金屬表面外延法等一些新的方法相繼被報(bào)道。本人通過(guò)大量的歸納總結(jié)，共總結(jié)出以下七種方法。</p><p>　　2.1.1微機(jī)械剝離法</p><p&

30、gt;　　機(jī)械剝離法就是利用機(jī)械力，將石墨烯片從具有高度定向熱解石墨(Highly Oriented Pyrolytic Graphite，HOPG)表面剝離開(kāi)來(lái)。2004年，Novoselov等[7]運(yùn)用這一簡(jiǎn)單而有效的方法，首次制備并確認(rèn)石墨烯的存在。他們從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(kāi)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(lái)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

31、。機(jī)械剝離法是制備石墨烯最為直接的方法。此方法可以獲得的石墨烯尺寸可達(dá)100 μm且具有最高的質(zhì)量，適用于研究材料的基本性質(zhì)(導(dǎo)電性)。但是低產(chǎn)率和尺寸不易控制等缺點(diǎn)使該方法僅適用于實(shí)驗(yàn)室的基礎(chǔ)研究。</p><p>　　2.1.2化學(xué)氣相沉積法</p><p>　　化學(xué)氣相沉積(Chemical Vapor Deposition，CVD)是制備納米材料的有效方法。采用一定化學(xué)配比的反應(yīng)氣

32、體為反應(yīng)物，在特定激活條件下，通過(guò)氣相化學(xué)反應(yīng)可在不同的基片表面生成石墨烯膜層。該方法獲得的石墨烯面積大且厚度容易控制，改變基底的類(lèi)型可以與現(xiàn)有的半導(dǎo)體制造工藝兼容。常用的基底為金屬如Ni，Cu等。Kim[8]首先在SiO /Si襯底上沉積厚度為300 nm的金屬Ni，然后將樣品放置于石英管內(nèi)，在氬氣氣氛下，加熱到1000 ℃，再通入流動(dòng)的混合氣體(CH /H /Ar=50/65/200)，最后在氬氣氣氛下,快速冷卻(冷卻速率為～10℃

33、.S-1)樣品至室溫，即制得石墨烯薄膜。Ruoff等[9]以CH +H 為反應(yīng)物，以Cu片為基質(zhì)合成高質(zhì)量石墨烯膜?；瘜W(xué)氣相沉積法有兩個(gè)明顯的優(yōu)勢(shì):一是此方法獲得的產(chǎn)品中單層石墨烯比例大。二是可以獲得大尺寸的產(chǎn)品，從而保證了石墨烯樣品的結(jié)晶完整度。但是該方法需要使用高質(zhì)量的金屬基底和復(fù)雜的反應(yīng)過(guò)程使其成本較高，同時(shí)其產(chǎn)量較低(限于基片的大小)，不利于其在電催化領(lǐng)域的應(yīng)用。</p><p>　　2.1.3表面外延生

34、長(zhǎng)法</p><p>　　以SiC為基底外延生長(zhǎng)是制備高質(zhì)量石墨烯的有效方法。早在19世紀(jì)90年代中期，研究者就已發(fā)現(xiàn)，加溫至一定的溫度后(通常在1000 ℃以上) ，SiC中的Si原子將被蒸發(fā)出來(lái)，余下的碳原子重排生成晶態(tài)納米碳[10]。由于碳化硅的平面結(jié)構(gòu)對(duì)碳原子的組裝有限域作用，因此研究者發(fā)現(xiàn)該過(guò)程可應(yīng)用于石墨烯的制備。J．Hass等[11]報(bào)道在真空條件下將4H－SiC上長(zhǎng)出石墨烯材料。Geogia理工學(xué)

35、院的W．A．deHeer教授[12]發(fā)現(xiàn)，在4H－SiC(000－1)外延生長(zhǎng)的多層石墨烯具有單層石墨烯的一些特性;與在SiC表面外延生長(zhǎng)石墨烯相類(lèi)似，利用熱循環(huán)法以富含C的金屬Ru(0001)面為模板，在Ru原子上也可以種出高質(zhì)量的石墨烯。</p><p>　　2.1.4氧化石墨還原法</p><p>　　1960年，有文獻(xiàn)報(bào)道[13]利用KClO 和HNO 可以使石墨層深度氧化，獲得氧

36、化石墨(GO)。石墨層被氧化成親水的石墨烯氧化物，石墨層間距由氧化前的0.35 nm增加到0.7～1 nm，經(jīng)加熱或在水中超聲剝離很容易形成分離的石墨烯氧化物片層結(jié)構(gòu)。GO與石墨烯具有類(lèi)似的平面結(jié)構(gòu)，以其為前體采用適當(dāng)?shù)倪€原方法可以使其表面的功能團(tuán)消除，獲得石墨烯材料。Ruoff研究組在這方面做了大量的工作。以水合肼為溶劑和還原試劑，制備了穩(wěn)定的還原石墨烯的分散液。研究中發(fā)現(xiàn)，還原石墨烯的穩(wěn)定性和導(dǎo)電性與肼的濃度有密切的關(guān)系。以濃度低的

37、肼為還原試劑所得的石墨烯分散液穩(wěn)定性差，水合肼在作為還原試劑的同時(shí)還起到保護(hù)劑的作用。此外，他們還通過(guò)改變肼溶液的濃度和成分來(lái)控制石墨烯薄層的面積。Zhang等[14]發(fā)現(xiàn)在濃的KOH(NaOH) 溶液中，氧化石墨表面的功能團(tuán)可被逐漸的消除，從而獲得石墨烯材料?，F(xiàn)在化學(xué)剝離分散法成為大規(guī)模制備石墨烯的一種重要的方法。此方法存在的缺點(diǎn)是石墨烯片容易發(fā)生皺褶或折疊。另外，由于不能徹底消除石墨烯片上的官能團(tuán)，所以化學(xué)剝離分散法制得的石墨烯片厚

38、度較大，一般在1 nm以上。同時(shí)，在氧</p><p><b>　　2.1.5電化學(xué)法</b></p><p>　　N. Liu等[15]采用高純石墨棒為電極，電極距離為6.0 cm，在不同的電解液體系下施加電壓，使陽(yáng)極石墨片層剝落，獲得均一的石墨烯溶液體系。實(shí)驗(yàn)對(duì)不同的電解液體系下所制的的石墨烯進(jìn)行溶解性和導(dǎo)電性比較，并對(duì)制得的石墨烯的厚度進(jìn)行了匯總。</p&

39、gt;<p>　　MingZhou等[16]采用將氧化石墨噴涂到導(dǎo)體或絕緣襯底上，在電化學(xué)的作用下還原氧化石墨，得到O/C原子比小于6.25%的還原層，厚度可以從單層到幾微米不等</p><p><b>　　2.1.6淬火法</b></p><p>　　淬火是工業(yè)上使鋼強(qiáng)化的基本手段之一。在淬火過(guò)程中，物質(zhì)的表面溫度下降速度快于內(nèi)部溫度，內(nèi)外的溫度差產(chǎn)生

40、的“應(yīng)力”可以使物質(zhì)的表面容易出現(xiàn)裂痕。對(duì)于三維的石墨碳來(lái)講，如果這種應(yīng)力足夠大的話，就可以使石墨的層－層發(fā)生有效的剝離，從而獲得石墨烯。Lee等[17]以HOPG為原料，以碳酸氫銨溶液為媒介，采用淬火技術(shù)成功的制備了單層和幾層石墨烯。制備中無(wú)需使用膠帶等從而使所得石墨烯表面很干凈，同時(shí)該方法可在短時(shí)間內(nèi)獲得大尺寸的石墨烯材料，與微機(jī)械剝離法相比具有明顯的優(yōu)勢(shì)。但是在制備中需要使用較為昂貴的HOPG作為原料，從而使成本增加。膨脹石墨價(jià)格

41、低廉，由于層間含有插層的無(wú)機(jī)離子，膨脹石墨層間距較大，層間作用力較弱，更容易剝離。為了使膨脹石墨有效剝離，采用合適的淬火媒介十分必要。首先，淬火介質(zhì)應(yīng)該容易進(jìn)入膨脹石墨的層間，從而使其有效的剝離;其次，淬火介質(zhì)應(yīng)具有一定的還原能力，使膨脹石墨表面的基團(tuán)得以還原，提高產(chǎn)品的導(dǎo)電性。以氨水和肼為淬火介質(zhì)，以廉價(jià)的膨脹石墨為原料，采用淬火方法可以制備高質(zhì)量的石墨烯。導(dǎo)電原子力表征指出該方法制備的石墨具有優(yōu)異的導(dǎo)電性，大約為氧化石墨還原法制備的

42、石墨烯的幾十倍。通</p><p>　　2.1.7原位自生模板法</p><p>　　固相熱解是大量制備石墨化納米碳材料的有效方法。該過(guò)程使用的原料為含有Fe、Co、Ni的聚合物。由于Fe、Co、Ni元素對(duì)碳的晶化有促進(jìn)作用，可在較低的溫度下獲得石墨化納米碳材料。選擇合適的碳源以及調(diào)節(jié)碳源和催化劑之間的作用對(duì)可控制備晶態(tài)納米碳十分必要。離子交換樹(shù)脂豐富的孔道內(nèi)有大量的極性基團(tuán)，這些基團(tuán)可以

43、與多種類(lèi)型的金屬離子(配離子)相互作用，從而可以將金屬催化劑前體引入到樹(shù)脂骨架。通過(guò)調(diào)節(jié)樹(shù)脂和金屬催化劑前體的類(lèi)型，可以成功的制備石墨化碳納米膠囊、納米帶以及厚的納米片層。分析證明所得碳的形貌與碳源的結(jié)構(gòu)以及催化劑的用量密切相關(guān)。而且發(fā)現(xiàn)催化劑的致密排列有助于形成厚的片層結(jié)構(gòu)。通過(guò)進(jìn)一步加大催化劑的引入量，利用密堆積Fe粒子的限域作用以及Fe3C的生成－分解過(guò)程發(fā)現(xiàn)，可以得到大量的薄的碳納米層－即石墨烯。</p><

44、p>　　2.2 石墨烯的改性</p><p>　　2.2.1石墨烯的表面改性</p><p>　　天然石墨不親水也不親油，由天然石墨剝離所得的片層石墨烯如果在還原之前不經(jīng)過(guò)化學(xué)處理，在還原過(guò)程中也會(huì)很快地聚集在一起，重新生成塊狀石墨，很難得到所想要的片層石墨烯。即使得到少量的片層石墨烯也會(huì)具有不親水、不親油的性質(zhì)，這樣的性質(zhì)同樣使其不能很好地與其它材料進(jìn)行復(fù)合，限制了石墨烯的廣泛應(yīng)

45、用，其復(fù)合材料也不能充分發(fā)揮石墨烯優(yōu)越的性能。</p><p>　　化學(xué)法制備的石墨烯是由氧化石墨還原所得，氧化石墨片層結(jié)構(gòu)周邊含有羰基、羧基，中間含有羥基和環(huán)氧基等高活性的含氧官能團(tuán)[19]，可以利用這些官能團(tuán)對(duì)具有卓越性能的石墨烯進(jìn)行接枝、包覆等化學(xué)處理。文獻(xiàn)[18,23,24]報(bào)道用于表面改性的活性劑主要有陽(yáng)離子表面活性劑、有機(jī)異氰酸酯、長(zhǎng)鏈脂肪族胺、烷基胺和氨基酸等。</p><p&g

46、t;　　Lerf等[19.25]制備并研究了大量化學(xué)改性的氧化石墨衍生物，證實(shí)對(duì)這種氧化石墨的官能團(tuán)進(jìn)行改性是可行的。Mat-suo課題組[19.22.26]一直致力于研究氧化石墨插層衍生物的制備，先后采用陽(yáng)離子表面活性劑和烷基胺等實(shí)現(xiàn)了對(duì)氧化石墨的插層。近幾年，他們又用氯硅烷類(lèi)和乙氧基硅烷類(lèi)等對(duì)氧化石墨進(jìn)行甲基烷基化處理，成功實(shí)現(xiàn)了丁基胺插層氧化石墨的甲基烷基化，并通過(guò)生色團(tuán)的嫁接制成了熒光薄膜材料。</p><p

47、>　　Sasha S等[21]用異氰酸酯對(duì)片層氧化石墨進(jìn)行化學(xué)接枝，由于片層氧化石墨表面含有大量羥基，使此反應(yīng)順利進(jìn)行。完全反應(yīng)后，再對(duì)此衍生物用聯(lián)氨進(jìn)行還原，利用AFM表征所得到的衍生物，其厚度大約只有1 nm。此種石墨烯接枝上一定數(shù)量的烷基后具有親油性，可與大多數(shù)聚合物充分混合均勻。Sandip N等[23]利用相同的方法成功地制備出接枝的片層石墨烯G-CONH (CH2)17 CH3，其片層厚度約為5Å。</

48、p><p>　　Yongchao Si等[24]先用硼氫化鈉還原片層石墨烯周邊的羧基和羰基，然后與對(duì)氨基苯磺酸在冰浴中反應(yīng)2 h，成功地將磺酸基接枝到片層氧化石墨上，再對(duì)所得物質(zhì)用聯(lián)氨在100 ℃條件下還原24 h，得到的片層石墨烯在水中的溶解度為2mg/ml．。</p><p>　　國(guó)內(nèi)外的研究表明，對(duì)氧化石墨特性官能團(tuán)進(jìn)行有目的的表面改性和利用插層活性劑撐開(kāi)氧化石墨層間距都有利于有機(jī)溶劑中

49、的氧化石墨膨脹剝離為氧化石墨烯，形成納米級(jí)分散體系。再在聯(lián)氨溶液中還原此分散體系，可得到石墨烯。此過(guò)程制備出的最終產(chǎn)品為表面經(jīng)過(guò)功能化改性的石墨烯。</p><p>　　2.2.2制備聚合物基復(fù)合材料</p><p>　　由于石墨烯具有高強(qiáng)度、高導(dǎo)電率，高比表面積，用其對(duì)聚合物材料進(jìn)行改性有望得到高性能的聚合物基復(fù)合材料，使復(fù)合材料具有高導(dǎo)電率、高強(qiáng)度、高熱穩(wěn)定性并具有一定的阻燃性，進(jìn)一步

50、擴(kuò)大聚合物材料的應(yīng)用范圍。</p><p>　　先按照目標(biāo)制備出表面改性的石墨烯，使其具有親油或親水性；再將改性石墨稀與聚合物材料進(jìn)行復(fù)合制備聚合物基/石墨烯復(fù)合材料。改性后的石墨烯可以更好地分散于聚合物基體中。此用途的石墨烯可取代價(jià)格昂貴的碳納米管來(lái)填充聚合物，使聚合物基復(fù)合材料的性能及應(yīng)用得到進(jìn)一步提高。</p><p>　　Sasha S等先對(duì)石墨烯進(jìn)行接枝，再與聚苯乙烯共混制備出聚

51、合物基/石墨烯復(fù)合材料，接枝后的石墨烯能均勻地分散在聚苯乙烯基體中。此復(fù)合材料的Tg升高到300 ℃左右；導(dǎo)電率先隨石墨烯含量的增加而顯著增加，隨后逐漸平緩，石墨烯含量為2.5%（體積分?jǐn)?shù)）的聚苯乙烯/石墨烯復(fù)合材料的導(dǎo)電率達(dá)到1 S/m左右，比用碳納米管填充的聚苯乙烯復(fù)合材料的導(dǎo)電率高4倍。</p><p>　　T．Ramanathan等[29]直接利用片層氧化石墨烯填充聚合物基，也取得了比較好的效果。由于片層

52、氧化石墨烯表面含有羥基、羧基等含氧官能團(tuán)，使其具有極性，能與PAN、PMMA等極性聚合物很好地相容。在PAN中加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的片層氧化石墨烯，基體的Tg可升高40 ℃以上；在PMMA中加入0.5%的氧化石墨烯，基體的Ts升高了至少30 ℃，而且復(fù)合材料的力學(xué)性能也得到了大幅度提高。</p><p>　　C．Nethravathi等[30]成功地制備出氧化石墨插層蒙脫土復(fù)合材料，但復(fù)合材料的熱穩(wěn)定性有所降低。此

53、方法利用蒙脫土表面的羥基與氧化石墨表面的含氧官能團(tuán)反應(yīng)，成功地使氧化石墨的片層和蒙脫土的片層得到剝離。如果用這種復(fù)合材料來(lái)填充聚合物，不僅可以提高石墨烯在聚合物中的分散性，更能發(fā)揮石墨烯本身所具有的高強(qiáng)度、高導(dǎo)電率等卓越性能，進(jìn)一步提高這種聚合物基復(fù)合材料的性能。</p><p>　　Tong Wei等[31]先將200 μm的天然鱗片石墨利用Hum-mers法制備成氧化石墨，再將其放人超聲波容器中進(jìn)行超聲剝離，

54、然后放入裝有氯乙烯和醋酸乙烯的有機(jī)化溶液中進(jìn)行原位聚合，最后加入聯(lián)氨將氧化石墨烯還原成石墨烯。充分反應(yīng)后將所得的粉末在溶劑中溶解，成功地制備出聚合物基/石墨烯薄膜納米復(fù)合材料，其表面電阻比不加石墨烯的復(fù)合材料有大幅度降低。</p><p>　　Hiroyuki F等[32]先將天然鱗片石墨在微波環(huán)境下急劇升溫，使天然鱗片石墨膨脹成膨脹石墨（膨脹比約為500倍），再將此膨脹石墨于超聲波下進(jìn)行超聲剝離，得到片層石墨烯

55、，然后對(duì)石墨烯進(jìn)行篩選，分別制備出粒徑為1 μm、15 μm且添加體積為0%、0.1%～3%的PP/石墨烯復(fù)合材料。結(jié)果表明，1 μm的石墨烯由于取向作用能大大提高復(fù)合材料的彈性模量和沖擊韌性，且隨著石墨烯含量的增加而增大，最大提高幅度約為50%。表面直徑為15 μm的石墨，由于其表面直徑大，取向受到一定阻礙，因而其性能不佳。</p><p>　　很多科學(xué)家預(yù)測(cè)，石墨烯，特別是石墨烯納米片層最早的應(yīng)用可能會(huì)在復(fù)合

56、材料領(lǐng)域[33]?，F(xiàn)在的蓄電池主要使用石墨作為電極，石墨烯具有比石墨更高的比表面和導(dǎo)電率，將其復(fù)合材料應(yīng)用于電極材料很可能會(huì)大大提高現(xiàn)有電池效率。</p><p>　　第三章 石墨烯的應(yīng)用領(lǐng)域 </p><p>　　3.1 石墨烯在分析科學(xué)上的應(yīng)用</p><p>　　石墨烯有非常廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域，首先對(duì)石墨烯在分析科學(xué)上的應(yīng)用進(jìn)行綜述。</p>&

57、lt;p>　　3.1.1基于石墨烯的樣品前處理技術(shù)</p><p>　　由于石墨烯具有較大比表面積，是富電子的疏水材料，因此，非常適合于作為固相萃取(SPE)的吸附劑。Dong等[34]采用石墨烯作為吸附劑，通過(guò)SPE技術(shù)富集角鯊烯，濃度低至0.2 μmol/L時(shí)，基質(zhì)輔助激光解吸離子化飛行時(shí)間質(zhì)譜(MALDI-TOF-MS)法仍可檢測(cè)到。該結(jié)果表明，石墨烯作為吸附劑可大大提高角鯊烯的檢出限，為石墨烯的應(yīng)用

58、開(kāi)辟了一個(gè)新的領(lǐng)域。Liu等[34]利用石墨烯填充固相萃取柱，對(duì)8種氯酚進(jìn)行萃取，再用堿性甲醇進(jìn)行洗脫，用HPLC法測(cè)定，檢出限可達(dá)到0.1～0.4ng/mL，RSD為2.2%～7.7%，用該方法對(duì)自來(lái)水和河水進(jìn)行分析測(cè)定，回收率為77.2%～116.6%，與其他吸附劑(C 、石墨、單壁碳納米管和多壁碳納米管)相比，石墨烯對(duì)目標(biāo)組分表現(xiàn)出較強(qiáng)的富集能力。</p><p>　　固相微萃取(solid phase m

59、icro extraction，SPME)方法中最核心的技術(shù)在于萃取涂層，它決定了方法的靈敏度、準(zhǔn)確度和應(yīng)用范圍。商品化涂層不僅種類(lèi)有限，而且還受使用溫度、選擇性、靈敏度、溶劑等因素的限制。因此，開(kāi)發(fā)各種新材料制備固相微萃取涂層是必要的。Chen等采用石墨烯對(duì)纖維頭進(jìn)行涂層，厚度為6～8 μm，有較好的熱穩(wěn)定性(溫度達(dá)330 ℃以上) ，壽命長(zhǎng)(達(dá)250次以上) ，并對(duì)該涂層的性能進(jìn)行了評(píng)價(jià)。通過(guò)萃取6種菊酯類(lèi)農(nóng)藥后發(fā)現(xiàn)，效率明顯高于硅

60、氧烷、硅氧烷/二乙烯基苯的商品化涂層。經(jīng)GC-ECD測(cè)定，6種農(nóng)藥的檢出限為3.69～69.4 ng/L，水樣加標(biāo)回收率為83%～110%。結(jié)果表明，以石墨烯為涂層的萃取纖維頭，對(duì)菊酯類(lèi)農(nóng)藥有較好的富集能力。</p><p>　　Luo等[34]制備了聚二甲基丙烯酸乙二醇酯/石墨烯復(fù)合材料，將其首次作為攪拌棒吸附萃取涂層，對(duì)水樣中的多環(huán)芳烴進(jìn)行了富集，并用GC-MS法檢測(cè)，結(jié)果表明，該復(fù)合材料對(duì)水樣中的16種多環(huán)

61、芳烴有較高的萃取效率，檢出限為0.005～0.429 ng/mL，日內(nèi)精密度和日間精密度良好，RSD分別小于12.5% 和12.6%。</p><p>　　隨著對(duì)石墨烯研究的不斷深入，尤其是功能化修飾方法的不斷發(fā)展，石墨烯將成為繼碳納米管之后又一種樣品前處理新材料。</p><p>　　3.1.2石墨烯在熒光分析中的應(yīng)用</p><p>　　石墨烯具有獨(dú)特的結(jié)構(gòu)及電

62、子特性，在熒光光譜分析中也表現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景。Chen等研究了CdSe/ZnS納米粒子吸附在單層或多層石墨烯片上的熒光猝滅現(xiàn)象，并通過(guò)熒光猝滅來(lái)測(cè)定能量轉(zhuǎn)移的速率。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，單層石墨烯片的猝滅效率為4 ns-1，隨著層數(shù)的增加，猝滅效率明顯增大。這項(xiàng)研究有利于使石墨烯在光電器件中得到新的應(yīng)用。Dong等首次研究了量子點(diǎn)和氧化石墨烯之間的熒光共振能量轉(zhuǎn)移(FRET) ，先用分子信標(biāo)修飾量子點(diǎn)，以該量子點(diǎn)作為探針來(lái)識(shí)別靶標(biāo)分析物。分子信標(biāo)

63、與氧化石墨烯之間的強(qiáng)烈作用可使量子點(diǎn)產(chǎn)生熒光猝滅，并用于測(cè)定DNA序列，結(jié)果表明，該方法具有較高的靈敏度和較好的選擇性，可測(cè)定核酸以及單個(gè)核苷酸的多態(tài)性。Chang等研究了石墨烯的熒光共振能量轉(zhuǎn)移適配體傳感器，對(duì)凝血酶進(jìn)行檢測(cè)。該傳感器對(duì)血清樣品凝血酶的測(cè)定具有較高的靈敏度和專(zhuān)一性，檢出限可低至31.3 pmol/L，與碳納米管的熒光傳感器相比，靈敏度顯著提高，在識(shí)別癌細(xì)胞以及生物分子方面具有良好的應(yīng)用前景。Treossi等利用有機(jī)染料

64、對(duì)氧化石墨烯表面衍生化，染料分子在氧化石墨烯存在的情況下產(chǎn)生熒光猝滅。該方法可在多種基底(包括石</p><p>　　3.1.3石墨烯在質(zhì)譜分析中的應(yīng)用</p><p>　　石墨烯也逐步應(yīng)用于質(zhì)譜分析中，主要用作MALDI-TOF-MS的基質(zhì)。Dong等首次采用石墨烯作為基質(zhì)，采用MALDI-TOF-MS測(cè)定低分子量化合物，如氨基酸、多胺、類(lèi)固醇、抗癌藥物、核苷等物質(zhì)。與傳統(tǒng)的α-氰基-4

65、-羥基肉桂酸基質(zhì)相比，提高了分析物的解吸及離子化效率。Tang等利用石墨烯對(duì)生物分子單鏈DNA進(jìn)行萃取富集，采用表面增強(qiáng)激光解吸離子化飛行時(shí)間質(zhì)譜(SELDI-TOF-MS)進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果表明，基于石墨烯的SELDI探針可降低噪音干擾，從而提高檢測(cè)靈敏度。該研究有利于提高蛋白質(zhì)組學(xué)和基因組學(xué)中生物靶標(biāo)物檢測(cè)靈敏度。Zhou等[27]以還原氧化石墨烯膜作為基質(zhì)，利用MALDI-TOF-MS檢測(cè)八氯二苯并-對(duì)-二噁英，發(fā)現(xiàn)其檢測(cè)限可低至50

66、0 pg，與其他的傳統(tǒng)基質(zhì)相比，還原氧化石墨烯效果較好，有可能應(yīng)用于其他生物材料的質(zhì)譜檢測(cè)。Lee等采用氧化石墨烯/碳納米管雙層膜作為基質(zhì)，通過(guò)激光解吸離子化飛行時(shí)間質(zhì)譜(LDI-TOF-MS)對(duì)磷脂反應(yīng)混合物進(jìn)行了定量分析。該方法簡(jiǎn)單易操作，成本低，耗時(shí)短，是一種兼容性好的分析方法，可用于抗癌藥物以及化學(xué)篩選磷脂酶抑制劑中磷脂酶活性的研究</p><p>　　3.2 石墨烯在納電子器件方面的應(yīng)用</p&

67、gt;<p>　　2005年，Geim研究組與Kim研究組發(fā)現(xiàn)室溫下石墨烯具有10倍于商用硅片的高載流子遷移率10 000 cm2V-1s-1，并且受溫度和摻雜效應(yīng)的影響很小，表現(xiàn)出室溫亞微米尺度的彈道傳輸特性（300 K下可達(dá)0.3 μm），這是石墨烯作為納電子器件最突出的優(yōu)勢(shì)，使電子工程領(lǐng)域極具吸引力的室溫彈道場(chǎng)效應(yīng)管成為可能。較大的費(fèi)米速度和低接觸電阻則有助于進(jìn)一步減小器件開(kāi)關(guān)時(shí)間，THz超高頻率的操作響應(yīng)特性是石墨

68、烯基電子器件的另一顯著優(yōu)勢(shì)。此外，與目前電子器件中使用的硅及金屬材料不同，石墨烯減小到納米尺度甚至單個(gè)苯環(huán)仍能保持很好的穩(wěn)定性和電學(xué)性能，使探索單電子器件成為可能。 最近，Geim 研究組利用電子束光刻與干刻蝕的方法將同一片石墨烯加工成量子點(diǎn)、引線和柵極，獲得了室溫下可以操作的石墨烯基單電子場(chǎng)效應(yīng)管，解決了目前單電子場(chǎng)效應(yīng)管由于納米尺度材料的不穩(wěn)定性所帶來(lái)的操作溫度受限問(wèn)題。荷蘭科學(xué)家則報(bào)道了第一個(gè)石墨烯基超導(dǎo)場(chǎng)效應(yīng)管，發(fā)現(xiàn)在電荷密度為

69、零的情況下石墨烯仍然可以傳輸一定的電流，可能為低能耗、開(kāi)關(guān)時(shí)間快的納米尺度超導(dǎo)電子器件帶來(lái)突破。 與一維納米材料相比，石墨烯基電子器件的顯著優(yōu)勢(shì)是整個(gè)電</p><p>　　3.3 石墨烯材料在電化學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用</p><p>　　3.3.1在鋰離子電池中的應(yīng)用</p><p>　　碳質(zhì)材料是最早為人們所研究并商品化的鋰離子電池負(fù)極材料，至今仍是大家關(guān)注和研究的

70、重點(diǎn)之一，石墨烯作為一種由石墨出發(fā)制備的新型碳質(zhì)材料，單層或者薄層石墨烯（2～10層的多層石墨烯）在鋰離子電池中的應(yīng)用潛力也進(jìn)入研究者的視野之中。</p><p>　　Guo等[35]通過(guò)修飾的Standenmaler法制備了氧化石墨Go，隨后經(jīng)高溫處理合成石墨烯GNS，并以其為鋰離子電池負(fù)極材料進(jìn)行電化學(xué)測(cè)試，結(jié)果顯示其可逆容量為672 mA·h/g，且有較好的循環(huán)性能。wang等[36]法合成了石墨

71、烯納米帶，并將其作為鋰離子電池負(fù)極材料，進(jìn)行恒電流充放電循環(huán)性能測(cè)試，結(jié)果顯示首次放電及充電容量分別為945 mA·h/g、650 A·h/g，100次循環(huán)之后，比容量為460 A·h/g。Yoo等[37]烯應(yīng)用于鋰離子二次電池負(fù)極材料中的性能，發(fā)現(xiàn)其比容量可以達(dá)到540 mA·h/g；在其中摻入c和碳納米管后，負(fù)極的比容量可達(dá)784 mA·h/g和730 mA·h/g。<

72、;/p><p>　　Seung-min Paek等[38]將石墨烯溶解在乙二醇中與金紅石結(jié)構(gòu)的納米SnO2復(fù)合，形成多孔復(fù)合材料，將其作為電極進(jìn)行電化學(xué)測(cè)試，結(jié)果表明該復(fù)合材料的可逆容量為810 mA·h/g，與純納米SnO顆粒相比，循環(huán)性能得到明顯改善，30 次循環(huán)之后，充電容量為570 mA.h/g，可逆容量保持率為70％；而純納米SnO顆粒首次充電比容量為550 mA·h/g，15次循環(huán)之后

73、迅速衰減到60 mA·h/g。這主要是因?yàn)榧{米SnO顆粒已完全插入石墨烯層與層之間的空間中，在循環(huán)過(guò)程中，當(dāng)鋰插入SnO晶格中時(shí)，石墨烯穩(wěn)定的骨架緩沖了SnO2晶格的體積膨脹，而石墨烯與SnO2顆粒之間的空隙恰好成了緩沖空間，這使得材料擁有好的循環(huán)性能。wang等合成了TiO2－石墨烯雜化材料，并測(cè)試了鋰離子的插入性能，結(jié)果顯示，雜化材料明顯增強(qiáng)了鋰離子在TiO2中的脫插能力，在高的充電速率下，其比容量是純TiO2 的2倍，這

74、主要是由于石墨烯的存在明顯改進(jìn)了電導(dǎo)率。 </p><p>　　由于石墨烯具有特殊的原子結(jié)構(gòu)和電子結(jié)構(gòu)，使其在復(fù)合材料中也有一定的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)和性能優(yōu)勢(shì)，特別是在鋰離子電池中充當(dāng)負(fù)極材料，在鋰離子的脫插過(guò)程中，可以在一定程度上緩沖材料體積的“伸縮運(yùn)動(dòng)”，延長(zhǎng)材料的循環(huán)壽命及增強(qiáng)其性能。以上研究說(shuō)明石墨烯基復(fù)合材料雖然目前尚處于研究階段，但在鋰離子電池負(fù)極材料中具有較好的應(yīng)用前景。 </p><p&

75、gt;　　3.3.2在超級(jí)電容器中的應(yīng)用</p><p>　　碳質(zhì)材料是最早也是目前研究和應(yīng)用得很廣泛的超級(jí)電容器電極材料。自成功制備出石墨烯以來(lái)，人們開(kāi)始探究這種sp2結(jié)構(gòu)的碳質(zhì)材料在超級(jí)電容器中應(yīng)用的可能性。Merld.stoller等[39]合成了化學(xué)改性石墨烯，具有1個(gè)c原子的厚度，并在超級(jí)電容電池中測(cè)試了其性能，結(jié)果顯示：材料在無(wú)機(jī)電解液及有機(jī)電解液中的比容量分別為135 F/g和99 F/g另外，由于

76、材料有高的電導(dǎo)率，使得材料在寬的電壓掃描速率下具有好的性能。 </p><p>　　SRCVivekekchand等[40]比較了3種方法制備的石墨烯的電容性能。在硫酸電解液中，通過(guò)氧化石墨熱膨脹法和納米金剛石轉(zhuǎn)化法得到的石墨烯具有較高的比電容，可以達(dá)到117 F/g；在有機(jī)電解液中，電壓為3.5 V時(shí)，其比電容和比能量可以達(dá)到71 F/g和31.9 W.h/k。石墨烯是完全離散的單層石墨材料，其整個(gè)表面可以形成

77、雙電層；但是在形成宏觀聚集體過(guò)程中，石墨烯片層之間互相雜亂疊加，使得形成有效雙電層的面積減少（一般化學(xué)法制備獲得的石墨烯具有200～ 1200 m2/g的表面積）。如果其表面可以完全釋放，則將獲得遠(yuǎn)高于多孔炭的比電容。在石墨烯片層疊加而形成宏觀體的過(guò)程中，形成的孔隙集中在100 nm以上，有利于電解液的擴(kuò)散。</p><p>　　3.4 石墨烯其它的潛在應(yīng)用</p><p>　　隨著石墨

78、烯低成本、大規(guī)模制備技術(shù)的發(fā)展，許多應(yīng)用也相繼出現(xiàn)，并越來(lái)越受到重視。其中，復(fù)合材料是石墨烯有望最快得到應(yīng)用的方向之一。石墨烯具有優(yōu)異的氫氣吸附特性，可望在儲(chǔ)氫材料領(lǐng)域得到應(yīng)用。例如，2006年Ruoff研究組在Nature上報(bào)道了第一個(gè)石墨烯基復(fù)合材料，其滲流閾值與納米碳管聚苯乙烯復(fù)合材料相當(dāng)，并具有高導(dǎo)熱性和高強(qiáng)度等特點(diǎn)，可望制成導(dǎo)電塑料用于太陽(yáng)能電池板或計(jì)算機(jī)中的散熱部件。最近，該研究組利用流體定向方法將離散的氧化石墨烯組裝成高強(qiáng)

79、度、高硬度、高韌性的紙狀材料，為其在超級(jí)電容器、分子存儲(chǔ)材料以及性能可控的滲透膜等方面的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。 </p><p>　　此外，由于原子尺度的厚度、優(yōu)異的電學(xué)質(zhì)量、極其微弱的自旋-軌道耦合、超精細(xì)相互作用的缺失以及電學(xué)性能對(duì)外場(chǎng)敏感等特性，石墨烯還可望在場(chǎng)發(fā)射材料、量子計(jì)算機(jī)以及超靈敏傳感器等領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。如Schedin等[36]利用石墨烯制成了第一個(gè)可以精確探測(cè)單個(gè)氣體分子的化學(xué)傳感器，極大提高了微

80、量氣體快速檢測(cè)的靈敏性。研究還發(fā)現(xiàn)，高靈敏性來(lái)自于石墨烯電學(xué)上的低噪音特性，因此還可用于外加電荷、磁場(chǎng)以及機(jī)械應(yīng)力等的敏感檢測(cè)。</p><p><b>　　第四章 展望</b></p><p>　　在短短的幾年間，石墨烯從一個(gè)新生兒快速成長(zhǎng)為科學(xué)界的新星，并且石墨烯有望在諸多領(lǐng)域發(fā)揮重大作用，石墨烯可以應(yīng)用于晶體管、觸摸屏、基因測(cè)序等領(lǐng)域，同時(shí)有望幫助物理學(xué)家在量

81、子物理學(xué)研究領(lǐng)域取得新突破。中國(guó)科研人員發(fā)現(xiàn)細(xì)菌的細(xì)胞在石墨烯上無(wú)法生長(zhǎng)，而人類(lèi)細(xì)胞卻不會(huì)受損。利用這一點(diǎn)石墨烯可以用來(lái)做繃帶，食品包裝甚至抗菌T恤；用石墨烯做的光電化學(xué)電池可以取代基于金屬的有機(jī)發(fā)光二極管，因石墨烯還可以取代燈具的傳統(tǒng)金屬石墨電極，使之更易于回收。這種物質(zhì)不僅可以用來(lái)開(kāi)發(fā)制造出紙片般薄的超輕型飛機(jī)材料、制造出超堅(jiān)韌的防彈衣，甚至能讓科學(xué)家夢(mèng)寐以求的 2.3萬(wàn)英里長(zhǎng)太空電梯成為現(xiàn)實(shí)。石墨烯這一目前世界上最薄的物質(zhì)首先讓凝

82、聚態(tài)物理學(xué)家們驚喜不已。由于碳原子間的作用力很強(qiáng)，因此即使經(jīng)過(guò)多次的剝離，石墨烯的晶體結(jié)構(gòu)依然相當(dāng)完整，這就保證了電子能在石墨烯平面上暢通無(wú)阻的遷移，其遷移速率為傳統(tǒng)半導(dǎo)體硅材料的數(shù)十至上百倍。這一優(yōu)勢(shì)使得石墨烯很有可能取代硅成為下一代超高頻率晶體管的基礎(chǔ)材料而廣泛應(yīng)用于高性能集成電路和新型納米電子器件中。目前科學(xué)家們已經(jīng)研制出了石墨烯晶體管的原型，并且樂(lè)觀地預(yù)計(jì)不久就會(huì)出現(xiàn)全由石墨烯構(gòu)成</p><p>　　石

83、墨烯自身優(yōu)異的性能漸漸被發(fā)掘和開(kāi)發(fā)，但在石墨烯的研究與應(yīng)用中仍然存在很多挑戰(zhàn)：第一，如何大規(guī)模制備高質(zhì)量石墨烯；第二，石墨烯的很多性質(zhì)尚不清楚，如電子性能、磁性等；第三，探索石墨烯新的應(yīng)用領(lǐng)域，目前最有前景的應(yīng)用有晶體管、太陽(yáng)能電池和傳感器等，不同的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)κ┑囊笠膊煌?；第四，開(kāi)拓石墨烯和其它學(xué)科的交叉領(lǐng)域，探索石墨烯功能化的新性能。目前有機(jī)化學(xué)家和材料化學(xué)家二者結(jié)合，致力于找到更好的合成路線，制備高質(zhì)量的石墨烯。工程師們也在為

84、開(kāi)發(fā)石墨烯的各種優(yōu)異的性能而制備更好的器件努力。石墨烯作為很多領(lǐng)域非常有潛力的替代材料，還存在很多問(wèn)題，有待進(jìn)一步深入研究。</p><p>　　同時(shí)在查詢(xún)資料的時(shí)候，發(fā)現(xiàn)很多的學(xué)者在深思。石墨烯的發(fā)現(xiàn)已發(fā)了一股“碳”熱潮，近幾年幾乎全世界都在跟風(fēng)似的致力于研究這種新型材料，我在想，中國(guó)的工程師們?cè)诟L(fēng)的同時(shí)能否去開(kāi)發(fā)新的材料，擺脫跟風(fēng)的惡性循環(huán)，真正的實(shí)現(xiàn)中國(guó)發(fā)現(xiàn)。</p><p>&l

85、t;b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1]王霖，田林海等．石墨烯的外延生長(zhǎng)及其器件應(yīng)用研究進(jìn)展[J]無(wú)機(jī)材料學(xué)報(bào) 2011，10（26）</p><p>　　[2]宋蜂，于音．什么是石墨烯—2010年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)介紹[J]大學(xué)物理，2011，30,1</p><p>　　[3]胡登平．石墨烯的制備、表征及功能化的研究[D]．2010

86、</p><p>　　[4]K I.Bolotin,k J.Sikes,Z.Jiang, et al.Ultrahigh electron mobility in suspended graphene[J]. </p><p>　　Solid State Commun, 2008, 146:351~355</p><p>　　[5] Meryl D.Stolle

87、r,Sungjin Park,Yanwu Zhu, et al.Graphene-based ultracapacitors[J].Nano Lett,2008,8: 3498~3502</p><p>　　[6]Haiqing Zhou, Caiyu Qiu, Zheng Liu, et a1.Thickness-Dependent Morphologies of Gold onN-LayerGrap

88、henes[J]. Am. Chem. Soc.,2010, 132 (3):944~946</p><p>　　[7]NOVOSELOV K S，GEIM A K，MOROZOV S V，et al．Electric field effect in atomically thin carbon films［J］． Science，2004，306 (5696) :666 －669．</p>&

89、lt;p>　　[8] KIM K S，ZHAO Y，JANG H，et al． Large －scale pattern growth of graphene films for stretchable transparent electrodes［J］． Nature，2009，457(7230) :706 －710．</p><p>　　[9]LI X S，CAI W W，AN J H，et al．

90、Large －area synthesis of high －quality and uniform graphene films on copper foils［J］． Science，2010，324:1312 －1314．</p><p>　　[10]唐軍，劉忠良等．退火時(shí)間對(duì)表面外延石墨烯形貌與結(jié)構(gòu)的影響[J]物理化學(xué)學(xué)報(bào)．2010 26(1)；253-258</p><p>

91、　　[11] HASS J，MILLN －OTOYAJ E，F(xiàn)IRST P N，et al． Interface structure of epitaxial graphene grown on4H2SiC (0001) ［J］． Phys Rev B，2008，78:205424 －205433．</p><p>　　[12]王黨朝，張玉明等。低壓環(huán)境下襯底上外延生長(zhǎng)石墨烯的Raman光譜分析[J]jour

92、nal of Semiconductors 2011. (11) 32</p><p>　　[13] HUMMERS Jr W S，OFFEMAN R E． Preparation of graphitic oxide［J］． Journal of the American Chemical Society，1958，80 (6) :1339 －1339．</p><p>　　[14]

93、 FAN X B，PENG W H，LI Y，et al．Deoxygenation of exfoliated graphite oxide under alkaline conditions:a green route to graphene preparation［J］． Advanced Materials，2008，20(13) :4490 －4493．</p><p>　　[15]N. Liu,

94、F. Luo, H. X. Wu, etal. One- Steplonic -Liquid- Assisted Electrochemical Synthesis of Ionic-Liquid Functionalized Graphene Sheets Directly from GraphiteEJl.Adv. Funct. Mater.,2008, 18: 1518~1525</p><p>　　[

95、16] MingZhou, YulingWang, YuemingZhai, et a1.Controlled Synthesis of Large-Areaand Pattemed Electrochemically Reduced Graphene Oxide Films[J]. Chem. Eur.J.2009, 15, 6116~6120</p><p>　　[17] TANG Y B，LEE C S

96、，CHEN Z H，et al． High －quality graphenes via a facile quenching method for field －effect transistors［J］． Nano Letters，2010，9(4) :1374 －1377．</p><p>　　[18]楊永崗，陳成猛，溫月芳，等．氧化石墨烯及其與聚合物的復(fù)合[J].新型炭材料，2011，23(2)：19

97、3</p><p>　　[19]周文明，賀蘊(yùn)秋，氧化石墨插層納米復(fù)合材料的制備研究進(jìn)展[J].材料導(dǎo)報(bào)，2011，21（專(zhuān)輯Ⅸ）：204</p><p>　　[20]傅玲，劉洪波，鄒艷紅，等．Hummers法制備氧化石墨時(shí)影響氧化程度的工藝因素研究[J].碳素，2010(4)：10</p><p>　　[21]Sasha Stankovich, Dmitriy

98、A Dikin,Geoffrey H B Dommett. Graphene-based composite materials [Jl. Nature, 2006, 442(20) :282</p><p>　　[22]Matsuo Y, Hatase K, Sugie Y.Monomer emission from py-rene adsorbed in surfactant -intercalated

99、 graphite oxide[Jl.Chem Commun,1999,1(1) :43</p><p>　　[23] Sandip Niyogi, Elena Bekyarova, Mikhail E Itkis.Solution properties of graphite and graphene[Jl. J Am Chem Soc,2010,128: 7720</p><p>　

100、　[24] Si Yongchao, Edward T Samulski. Synthesis of water solublegraphene[Jl. Nano Lett, 2008, 8(6) : 1679</p><p>　　[25] Lerf A, He H Y, Riedl T, et al. 13C and lH mas NMR stu-dies of graphite oxide and its

101、chemically modidied derivatives[J]. Solid State Ionics,2007,101(1) :857</p><p>　　[26] Matsuo Y, Nishino Y, Fukutsuka T, et al. Introduction of amino groups into the interlayer space of graphite oxide u-sin

102、g 3-aminopropylethoxysilanes [J]. Carbon, 2007, 45 ( 7 ) : 1384</p><p>　　[27] Matsuo Y, Watanabe K, Fukutsuka T, et al. Characteri zation of n-hexadecylal kylamine- intercalated graphite oxides as sor-b

103、ents[J]. Crabon,2003,41(8) :1545</p><p>　　[28] Sasha Stankovich, Dmitriy A Dikin, Geoffrey H B Dommett graphene-based composite materials [J]. Nature, 2006, 442 (20) :282</p><p>　　[29] Ramanath