石墨烯的结构、制备、性能及应用研究进展分析.pdf
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1、XX大学硕士研究生读书报告 学院: 化学化工学院年级: 2015 专业: 无机化学 姓名:学号: 20150700 密封线 第 1 页 共 9 页 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 : 书名 石 墨 烯 :结 构 、 制 备 方 法 与 性 能 表 征 作者朱 宏 伟出 版 社清 华 大 学 出 版 社 ISBN号978-7-302-27170-3 出 版 时 间2011 字数开本 页数价格 二 、 评 分 标 准 1. 格 式 规 范 、 内 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
2、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 。 阅卷教师评语 成绩 评阅教师签字:20 年月日 注 1: 本 页 由 报
3、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 。 密封线 第 2 页 共 9 页 摘 要 碳 是 自 然 界 中 万 事 万 物 的 重 要 组 成 物 质 , 也 是 构 成 生
4、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
5、 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、 C8 6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
6、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
7、石 墨 烯 的 结 构 石 墨 烯 是sp 2 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
8、 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
9、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 m 2 mm、 深 5 m 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
10、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 范 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 密封线 第 3 页 共 9 页 Peter W.Sutter 等 2 使 用 稀 有 金 属 钌 作 为 生 长 基 质 , 利 用 基 质 的 原 子 结 构 “ 种 ” 出 了 石 墨 烯 。首 先 在 1150 C 下 让 C 原 子 渗 入 钌 中 ,然 后 冷 却 至 850 C,之 前 吸 收 的 大 量 碳 原 子 就 会 浮 到 钌 表
11、 面 , 在 整 个 基 质 表 面 形 成 镜 片 形 状 的 单 层 碳 原 子 “ 孤 岛 ” , “ 孤 岛 ” 逐 渐 长 大 , 最 终 长 成 一 层 完 整 的 石 墨 烯 。 第 一 层 覆 盖 率 达 80 %后 , 第 二 层 开 始 生 长 , 底 层 的 石 墨 烯 与 基 质 间 存 在 强 烈 的 交 互 作 用 , 第 二 层 形 成 后 就 前 一 层 与 基 质 几 乎 完 全 分 离 , 只 剩 下 弱 电 耦 合 , 这 样 制 得 了 单 层 石 墨 烯 薄 片 。 但 采 用 这 种 方 法 生 产 的 石 墨 烯 薄 片 往 往 厚 度 不 均 匀
12、 , 且 石 墨 烯 和 基 质 之 间 的 黏 合 会 影 响 制 得 的 石 墨 烯 薄 片 的 特 性 。 2.1.3 液 相 和 气 相 直 接 剥 离 法 液 相 和 气 相 直 接 剥 离 法 指 的 是 直 接 把 石 墨 或 膨 胀 石 墨 (EG)(一 般 通 过 快 速 升 温 至 1000 C 以 上 把 表 面 含 氧 基 团 除 去 来 获 取 ) 加 在 某 种 有 机 溶 剂 或 水 中 ,借 助 超 声 波 、加 热 或 气 流 的 作 用 制 备 一 定 浓 度 的 单 层 或 多 层 石 墨 烯 溶 液 。 Coleman 等 3 参 照 液 相 剥 离 碳
13、 纳 米 管 的 方 式 将 石 墨 分 散 在 N- 甲 基 - 吡 咯 烷 酮 (NMP) 中 ,超 声 1h 后 单 层 石 墨 烯 的 产 率 为 1%,而 长 时 间 的 超 声 (462 h)可 使 石 墨 烯 浓 度 高 达 1.2 mg/mL。 研 究 表 明 , 当 溶 剂 与 石 墨 烯 的 表 面 能 相 匹 配 时 , 溶 剂 与 石 墨 烯 之 间 的 相 互 作 用 可 以 平 衡 剥 离 石 墨 烯 所 需 的 能 量 , 能 够 较 好 地 剥 离 石 墨 烯 的 溶 剂 表 面 张 力 范 围 为4050mJ/m 2 。 利 用 气 流 的 冲 击 作 用 能
14、 够 提 高 剥 离 石 墨 片 层 的 效 率 。 Janowska 等 4 以 膨 胀 石 墨 为 原 料 , 微 波 辐 照 下 发 现 以 氨 水 做 溶 剂 能 提 高 石 墨 烯 的 总 产 率 (8%) 。 深 入 研 究 证 实 高 温 下 溶 剂 分 解 产 生 的 氨 气 能 渗 入 石 墨 片 层 中 , 当 气 压 超 过 一 定 数 值 至 足 以 克 服 石 墨 片 层 间 的 范 德 华 力 时 就 能 使 石 墨 剥 离 。 2.2 化 学 法 制 备 石 墨 烯 目 前 实 验 室 用 石 墨 烯 主 要 通 过 化 学 方 法 来 制 备 , 该 法 最 早
15、 以 苯 环 或 其 它 芳 香 体 系 为 核 , 通 过 多 步 偶 联 反 应 使 苯 环 或 大 芳 香 环 上 6 个 C 均 被 取 代 , 循 环 往 复 , 使 芳 香 体 系 变 大 , 得 到 一 定 尺 寸 的 平 面 结 构 的 石 墨 烯 。 在 此 基 础 上 人 们 不 断 加 以 改 进 , 使 得 氧 化 石 墨 还 原 法 成 为 最 具 有 潜 力 和 发 展 前 途 的 合 成 石 墨 烯 及 其 材 料 的 方 法 。 2.2.1 化 学 气 相 沉 积 法 化 学 气 相 沉 积 法 的 原 理 是 将 一 种 或 多 种 气 态 物 质 导 入 到
16、 一 个 反 应 腔 内 发 生 化 学 反 应 , 生 成 一 种 新 的 材 料 沉 积 在 衬 底 表 面 。 它 是 目 前 应 用 最 广 泛 的 一 种 大 规 模 工 业 化 制 备 半 导 体 薄 膜 材 料 的 技 术 。 2.2.2外 延 生 长 法 Clarie Berger等 利 用 此 种 方 法 制 备 出 单 层 5 和 多 层 6 石 墨 烯 薄 片 并 研 究 了 其 性 能 。通 过 加 热 , 在 单 晶 6H-SiC的 Si-terminated (00001)面 上 脱 除 Si制 取 石 墨 烯 。 将 表 面 经 过 氧 化 或H2蚀 刻 后 的
17、样 品 在 高 真 空 下 (UHV; base pressure 1.32 10 - 8 Pa) 通 过 电 子 轰 击 加 热 到 密封线 第 4 页 共 9 页 1000 C 以 除 掉 表 面 的 氧 化 物 ( 多 次 去 除 氧 化 物 以 改 善 表 面 质 量 ) ,用 俄 歇 电 子 能 谱 确 定 氧 化 物 被 完 全 去 除 后 , 升 温 至 1250-1450 C, 恒 温 1-20 min 。 在 Si 表 面 的 石 墨 薄 片 生 长 缓 慢 并 且 在 达 到 高 温 后 很 快 终 止 生 长 , 而 在 C 表 面 的 石 墨 薄 片 并 不 受 限 ,
18、 其 厚 度 可 达 5 到 100 层 。 形 成 的 石 墨 烯 薄 片 厚 度 由 加 热 温 度 决 定 。 2.2.3 氧 化 石 墨 还 原 法 氧 化 石 墨 还 原 法 制 备 石 墨 烯 是 将 石 墨 片 分 散 在 强 氧 化 性 混 合 酸 中 ,例 如 浓 硝 酸 和 浓 硫 酸 , 然 后 加 入 高 锰 酸 钾 或 氯 酸 钾 强 等 氧 化 剂 氧 化 得 到 氧 化 石 墨 (GO) 水 溶 胶 , 再 经 过 超 声 处 理 得 到 氧 化 石 墨 烯 , 最 后 通 过 还 原 得 到 石 墨 烯 。 这 是 目 前 最 常 用 的 制 备 石 墨 烯 的
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- 关 键 词:
- 石墨 结构 制备 性能 应用 研究进展 分析
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