石墨烯的最新研究进展及应用
石墨烯的最新研究进展及应用
摘要：石墨烯以优越的性能和独特的二维结构成为研究的热点，本文以材料四要素来分析石墨烯的加工制备，各种热学，力学，电学 ，光学性能，由于单纯石墨烯的使用效能在单品中作用有限，因此另加介绍了石墨烯复合材料的制备和性能。由于中国科学家在石墨炔也取得突破，所以也附加介绍以用来比较石墨烯的特点。
石墨烯的发现；
石墨烯（是从石墨材料中剥离出来、由碳原子组成的只有一层原子厚度的二维晶体。2004年，英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·盖姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫，成功从石墨中分离出石墨烯，证实它可以单独存在，两人也因此共同获得2010年诺贝尔物理学奖。石墨烯是当今世界上最薄的材料，也是世界上导电性最好的材料，电子在其中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。石墨烯具有特殊的单原子层结构和新奇的物理性质: 强度达130 GPa、热导率约5000 J/(m·K·s)、禁带宽度几乎为零、载流子迁移率达到2×105 cm2/(V·s)、高透明度(约97.7%)、比表面积理论计算值为2630 m2/g, 石墨烯的杨氏模量(1100 GPa)和断裂强度(125 GPa)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性质。最近几年国外对石墨烯的研究如火如荼的进行，国内也引起强大的反响。因此结合材料的知识，对其研究进行简略的介绍。
（一） 石墨烯的制备
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石墨烯在实验室中是在2004年，当时，英国曼彻斯特大学的两位科学家安德烈·杰姆和克斯特亚·诺沃消洛夫发现他们能用一种非常简单的方法—机械剥离法得到越来越薄的石墨薄片。他们从高定向热解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，就能把石墨片一分为二。不断地这样操作，于是薄片越来越薄，最后，他们得到了仅由一层碳原子构成的薄片，这就是石墨烯。这以后，制备石墨烯的新方法层出不穷，晶体外延生长法、化学气 相沉积法、液相直接剥离法以及高温脱氧和化学还原法等。我国的科研工作者通过化学气相沉积法，利用烃类作为碳源，通过化学气相沉积把单层碳原子附在金属表层，这是一种可以为工业大规模制取石墨烯的方法。化学气相沉积法相比，等离子体增强化学气相沉积法可在更低的沉积温度和更短的反应时间内制备出单层石墨烯。此外晶体外延生长法通过加热单晶6H-SiC 脱除Si, 从而得到在SiC表面外延生长的石墨烯，但这种方法无法获得大规模，层面单一的石墨烯。氧化石墨还原法, 成为实验室制备石墨烯最简单的方法。
（二） 石墨烯的优秀性能 2.1力学性能
石墨烯具有完美的二维晶体结构，它的晶格是由六个碳原子围成的六边形，厚度为一个原子层。碳原子之间由σ键连接，结合方式为sp2杂化，这些σ键赋予了石墨烯极其优异的力学性质和结构刚性。石墨烯的硬度比最好的钢铁强100倍，甚至还要超过钻石。 2.2 电学性能
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石墨烯最重要的性质之一就是它独特的载流子特性和无质量的狄拉克费米子属性。石墨烯的价带和导带部分相重叠于费米能级处, 是能隙为零的二维半导体, 载流子可不通过散射在亚微米距离内运动, 为目前发现的电阻率最小的材料。石墨烯内部电子输运的抗干扰能力很强, 其电子迁移率在室温下可超过15000 cm2/(V·s)[46], 而当载流子密度低于5×109 cm-2 时, 低温悬浮石墨烯的电子迁移率首次被发现可以接近200000 cm2/(V·s)。单层石墨烯中载流子迁移率几乎不受化学掺杂和温度的影响。因其电阻率极低，电子迁移的速度极快，因此被期待可用来发展更薄、导电速度更快的新一代电子元件或晶体管。 2,3光学性能
单层悬浮石墨烯的白光吸收率是2.3%, 而且吸收率随着层数的变化呈线性增加。 2.4热学性能
单层悬浮石墨烯的室温热传导率可达到3000~5000 W/(m·K)，石墨烯的热导率是如今在电子领域广泛应用的铜的2 倍和硅的50 倍。
（三）石墨烯的复合材料
基于石墨烯的复合材料是石墨烯应用领域中的重要研究方向, 其在能量储存、液晶器件、电子器件、生物材料、传感材料和催化剂载体等领域展现出了优良性能, 具有广阔的应用前景。目前石墨烯复合材料的研究主要集中在石墨烯聚合物复合材料和石墨烯基无机纳米复合材料上,因此本文对石墨烯复合材料的最新研究进展做详细介绍。 3.1 石墨烯聚合物
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根据石墨烯与聚合物的相互作用方式不同, 可将石墨烯聚合物复合材料分为石墨烯填充聚合物复合材料、层状石墨烯聚合物复合材料和功能化聚合物复合材料等。
3.1．1 石墨烯填充聚合物复合材料
通过溶液混合、熔融共混和原位聚合等方法，我们可以来制备石墨烯复合材料，石墨烯的分散性和聚合物基体的相互作用是影响复合材料性能的主要因素。例如通过溶液混合制成的石墨烯复合材料聚乙烯醇的力学性质得到很大改善，抗拉强度是原来的1,5倍，杨氏模量提高10倍。这说明利用溶液混合制成的石墨烯复合材料的分散性比较好，所以其力学性能比较好。与之相比，熔融共混法比较经济简单，不需要想溶液混合所需的昂贵分散液。利用熔融共混法制成的聚对苯二甲酸石墨烯复合材料，该复合材料利用石墨烯作为填充物，使其电导性大大提高。然而在实际工业生产中，聚合物的粘度却会影响熔融状态下石墨烯与对苯二甲酸的结合，所以我采用原位聚合的方法，发现合成的化合物热稳定性提高。所以我们在使用合成填充类石墨烯复合材料要充分考虑经济性，产品的热稳定性。 3.1．2 层状石墨烯聚合物复合材料
层状石墨烯聚合物复合材料是指石墨烯的衍生物和聚合物合成层状复合材料，其可应用于定向负载承重膜和光伏器件等领域。 3.1.3 功能化聚合物复合材料
石墨烯及其衍生物也可通过聚合物修饰的共价或非共价功能化形成功能化石墨烯聚合物复合材料。石墨烯衍生物的共价功能化主要是通
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过聚合物官能团和氧化石墨烯表面的含氧官能团发生反应，而发生反应的共价界面可以提高复合材料的力学和热学性能。以聚甲基甲酸乙酯为例，利用石墨烯复合材料的共价功能，其力学性能得到改善，杨氏模量提高7倍，硬度提高50%，抗拉强度提高74%，此外利用石墨烯衍生物的共价合成的聚合物其热稳定性和导电性也得到明显提高。
非共价功能化是通过范德瓦尔斯力、静电相互作用和π–π 堆积作用对石墨烯表面进行修饰而不改变它的化学结构, 此方法可提高复合材料的电学、光学特性和可溶性。利用π–π堆积非共价修饰的石墨烯薄片制备了多功能聚合物纳米复合材料, 研究发现功能化石墨烯的引入提高了复合材料的储能模量、玻璃化转变温度和电导率。 3.2 石墨烯基无机纳米复合材料
将无机材料(金属纳米材料、半导体和绝缘纳米材料)分散在石墨烯纳米层表面可合成石墨烯基无机纳米复合材料。无机纳米粒子可减小石墨烯片层间的相互作用, 而石墨烯与特定纳米粒子相结合,使该类复合材料在催化剂、光学等领域具有广泛的应用前景。 (四) 中国科学家在石墨材料领域的最新研究进展
2010年，中科院化学所有机固体院重点实验室研究人员利用六炔基苯在铜片的催化作用下发生偶联反应，成功地在铜片表面上通过化学方法合成了大面积碳的新同素异形体——石墨炔，这是在世界上首次大面积制备出了石墨炔薄膜。它具有丰富的碳化学键、大的共轭体系、宽面间距、优良的化学稳定性，被誉为是最稳定的一种人工合成的二炔碳的同素异形体。由于其特殊的电子结构及类似硅优异的半导体性
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能，石墨炔可以广泛应用于电子、半导体以及新能源领域。 1968 年著名理论家Baughman通过计算认为石墨炔结构可以稳定存在，国际上的著名功能分子和高分子研究组都开始了相关的研究，但是并没有获得成功。人们开始怀疑石墨炔是否能被人工合成,直到2010年，中科院化学所李玉良研究员等提出了在铜片表面上通过化学方法原位合成石墨炔并首次成功地获得了大面积碳的新的同素异形体-石墨炔薄膜。在这一过程中铜箔不仅作为交叉偶联反应的催化剂、生长基底，而且为石墨炔薄膜的生长所需的定向聚合提供了大的平面基底。
中国科学院青岛生物能源与过程研究所能源应用技术分所研究员黄长水带领的研究小组与中科院化学研究所研究员李玉良合作，首次将石墨炔应用于锂离子电池电极材料，并对其电化学储锂性能及储锂机制进行了详细的分析研究，阐明了石墨炔结构、形貌与其电化学性能之间的构效关系，探索了石墨炔材料在锂电池中的应用，这些研究为石墨炔家族的储锂性能研究以及探索新型碳素储能材料提供了理论依据和实验指导。研究表明，石墨炔是一种非常理想的储锂材料，且其独特的结构更有利于锂离子在面内和面外的扩散和传输，这样赋予其非常好的倍率性能，从实践证明石墨炔是一种非常有前景的储锂能源材料，科学家也预测它在新能源领域将产生非比寻常的影响。由此看来，石墨烯也是有广泛未来的应用前景，同时也见证了中国科学界为赶上石墨研究的先进水平所做的努力。
（五）
小结
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石墨烯被誉为改变21世纪的新材料，将可能引导21世纪的产业革命，总的来说，石墨烯不仅是最薄的材料，也是最强韧的材料，断裂强度比最好的钢材还要高200倍。同时它又有很好的弹性，拉伸幅度能达到自身尺寸的20%。它是目前自然界最薄、强度最高的材料，石墨烯目前最有潜力的应用方向，是成为硅的替代品，制造超微型晶体管，用来生产未来的超级计算机。用石墨烯取代硅，计算机处理器的运行速度将会提升数百倍。另外，石墨烯几乎是完全透明的，只吸收2.3%的光。同时，它非常致密，即使是最小的气体原子(氦原子)也无法穿透。这些特征使得它非常适合作为透明电子产品的原料，如透明的触摸显示屏、发光板和太阳能电池板。
我国科学家在石墨领域的研究也取得了突破，这将有利于国家的社会转型，建设工业强国。
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