石墨烯制备与应用与ZnO复合纳米棒的制备.ppt
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1、石墨烯制备与应用与ZnO复合纳米棒的制备,报告人:许继盟,碳材料是地球上较为普遍而特殊的材料,既可以形成硬度大的金刚石,也可形成较软的石墨。20多年以来,有关与碳的纳米材料一直是科技创新的前沿。迄今为止,已形成从0维至3维的完整的碳材料体系,主要有零维富勒烯(C60,C70)、一维(1D)碳纳米管(CNT)、二维(2D)石墨烯及三维(3D)金刚石和石墨。,右图为碳的各种晶体结构。碳元素由于其独特的sp、sp2、sp3三种杂化形式,从而构筑了丰富多彩的碳物质材料世界。也许还有新的碳的同素异形体有待发现也未可知。,石墨烯,2004年英国曼彻斯特大学教授安德烈盖姆和其学生康斯坦丁诺沃肖罗夫成功剥离获
2、得单层石墨烯。二人因此原创性成果获得2010年度诺贝尔物理学奖。,石墨烯是由碳原子以sp2杂化连接的单原子构成,其理论厚度仅为0.335nm,是目前发现的最薄的二维材料。石墨烯结构独特,性能优良,石墨烯强度是钢的100多倍,达到130GPa,热导率约5000 J/(mKs),是金刚石的三倍,带隙为零,电子/空穴迁移率高(理论可达200 000 cm2V-1S-1)。室温下石墨烯还展现出量子霍尔效应和铁磁性。,石墨烯独特结构和优良的电、热、光及机械性能使其迅速成为研究的热点,自石墨烯发现以来的短短六年时间内,仅在Nature和Science上发表的与其相关的科研论文就有60余篇。,有关石墨烯的内
3、容,主要关注两方面:(一)制备方法;(二)催化应用价值。 下面分别予以介绍。 (一)制备方法 查阅已有文献可知制备方法主要有:微机械剥离法、氧化石墨还原法、化学气相沉积法。此外还有SiC表面外延生长法、液相或气相直接剥离法等。,1、微机械剥离法,此法是由盖姆研究组首先使用的,是制备高质量石墨烯最有效的方法之一。该法过程简单,产物质量高,缺点是不易得到独立单层的石墨烯片、尺寸不易控制、产率也较低。,2、化学气相沉积法,简称为CVD 法。利用甲烷等含碳化合物作为碳源, 通过其在基体表面的高温分解生长石墨烯。从生长机理上主要可以分为两种:渗碳析碳机制和表面生长机制。,3、氧化石墨还原法,这是目前获得
4、石墨烯最常用的方法。主要是将天然石墨与强酸和强氧化性物质反应生成氧化石墨(GO),经过超声分散制备成氧化石墨烯(单层氧化石墨),加入还原剂去除氧化石墨表面的含氧基团,如羧基、环氧基和羟基,得到石墨烯。氧化的目的是在石墨边沿接上一些官能团,甚至在石墨层间插入一些物质,使得石墨层之间的引力变小,有利于石墨层的剥离,再通过还原剂还原剥离下来石墨片层,制备出石墨烯。,该方法典型的步骤是,先将石墨用Hummers 方法氧化成氧化石墨,然后将100mg 氧化石墨加入到100mL 水中形成黄色的混合溶液,超声振荡混合溶液一段时间;随后将1mL 水合肼加入上述溶液中,在水冷凝器中加热到100oC 并且保温24
5、h, 随后对氧化石墨进行充分地还原,即可得到石墨烯。,氧化石墨还原法制备石墨烯的成本低廉、设备简单,利于工业化生产;但由于石墨被强氧化剂氧化,很难进行充分地还原,制备的石墨烯中常含有氧的官能团,对其物理、化学等性能有不利影响。,石墨的氧化方法主要有Hummers、Brodie及Staudenmaier三种方法,它们都是用无机强质子酸(浓硫酸、发烟HNO3或它们的混合物)处理原始石墨,将强酸小分子插入石墨层间,再用强氧化剂(如KMnO4、KClO4等)对其进行氧化。Hummers氧化法安全性高,较常采用。制备的石墨氧化物需经过剥离、还原等操作才得单层石墨烯。剥离通常采用超声剥离法。,(二)催化应
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