石墨烯復(fù)合材料的制備、性能與應(yīng)用(共9頁)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上石墨烯復(fù)合材料的制備、性能與應(yīng)用 摘要：石墨烯是一種由碳原子緊密堆積構(gòu)成的二維晶體，包括富勒烯、碳納米管、石墨在內(nèi)的碳的同素異形體的基本組成單元。自2004年首次報(bào)道獨(dú)立存在的石墨烯以來，它在力學(xué)、熱學(xué)、電學(xué)、光學(xué)等方面的優(yōu)異性能，使之成為近年來化學(xué)，材料科學(xué)及物理學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。但是石墨烯具有不易大量制備，宏觀以聚集態(tài)形式存在的缺點(diǎn)。此外，由于其特殊的二維晶體結(jié)構(gòu)，高的縱橫比及高的電子遷移率使其在儲(chǔ)能領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，但其在儲(chǔ)能領(lǐng)域的應(yīng)用范圍及儲(chǔ)能機(jī)理還有待進(jìn)一步拓展與考察。通過物理或者化學(xué)改性的方法將石墨烯應(yīng)用于聚合物基復(fù)合材料的力學(xué)增強(qiáng)方面也具有重要的學(xué)

2、術(shù)價(jià)值。關(guān)鍵詞：石墨烯 制備 性能 應(yīng)用前景1.引言石墨烯是2004年以來發(fā)現(xiàn)的新型電子材料石墨烯是sp2雜化碳原子形成的厚度僅為單層原子的排列成蜂窩狀六角平面晶體。在單層石墨烯中，碳碳鍵長為0.142nm，厚度只有0.334nm。石墨烯是構(gòu)成下列碳同素異型體的基本單元：例如：石墨，碳納米管和富勒烯。石墨烯被認(rèn)為是平面多環(huán)芳香烴原子晶體。石墨烯在電子和光電器件領(lǐng)域有著重要和廣闊的應(yīng)用前景【1】正因?yàn)槿绱?，石墨烯的兩位發(fā)現(xiàn)者獲得了2010年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。石墨烯是一種沒有能隙的半導(dǎo)體，具有比硅高100倍的載流子遷移率(2×105cm2v)，在室溫下具有微米級(jí)自由程和大的相干長度，因此

3、石墨烯是納米電路的理想材料。石墨烯具有良好的導(dǎo)熱性3000W(m ·K)、高強(qiáng)度(110GPa)和超大的比表面積(2630mZg)。這些優(yōu)異的性能使得石墨烯在納米電子器件、氣體傳感器、能量存儲(chǔ)及復(fù)合材料等領(lǐng)域有光明的應(yīng)用前景1.1石墨烯特性1.1.1電子運(yùn)輸在發(fā)現(xiàn)石墨烯以前，大多數(shù)（如果不是所有的話）物理學(xué)家認(rèn)為，熱力學(xué)漲落不允許任何二維晶體在有限溫度下存在。所以，它的發(fā)現(xiàn)立即震撼了凝聚態(tài)物理界。雖然理論和實(shí)驗(yàn)界都認(rèn)為完美的二維結(jié)構(gòu)無法在非絕對(duì)零度穩(wěn)定存在，但是單層石墨烯在實(shí)驗(yàn)中被制備出來。這些可能歸結(jié)于石墨烯在納米級(jí)別上的微觀扭曲。 石墨烯還表現(xiàn)出了異常的整數(shù)量子霍爾行為。這個(gè)行為

4、已被科學(xué)家解釋為“電子在石墨烯里遵守相對(duì)論量子力學(xué)，沒有靜質(zhì)量”。1.1.2導(dǎo)電性石墨烯結(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適應(yīng)外力，也就保持了結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。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，即使周圍碳原子發(fā)生擠撞，石墨烯中電子受到的干擾也非常小。 石墨烯最大的特性是其中電子的運(yùn)動(dòng)速度達(dá)到了光速的1/300，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了電子在一般導(dǎo)體中的運(yùn)動(dòng)速度。這使得石墨

5、烯中的電子，或更準(zhǔn)確地，應(yīng)稱為“載荷子”，的性質(zhì)和相對(duì)論性的中微子非常相似。 石墨烯有相當(dāng)?shù)牟煌该鞫龋嚎梢晕沾蠹s2.3%的可見光。而這也是石墨烯中載荷子相對(duì)論性的體現(xiàn)。 1.1.3機(jī)械特性石墨烯是人類已知強(qiáng)度最高的物質(zhì)，比鉆石還堅(jiān)硬，強(qiáng)度比世界上最好的鋼鐵還要高上100倍。研究人員發(fā)現(xiàn)，在石墨烯樣品微粒開始碎裂前，它們每100納米距離上可承受的最大壓力居然達(dá)到了大約2.9微牛。據(jù)科學(xué)家們測(cè)算，這一結(jié)果相當(dāng)于要施加55牛頓的壓力才能使1米長的石墨烯斷裂。如果物理學(xué)家們能制取出厚度相當(dāng)于普通食品塑料包裝袋的（厚度約100納米）石墨烯，那么需要施加差不多兩萬牛的壓力才能將其扯斷。換句話說，如果用石

6、墨烯制成包裝袋，那么它將能承受大約兩噸重的物品。1.1.4化學(xué)性質(zhì)我們至今關(guān)于石墨烯化學(xué)知道的是：類似石墨表面，石墨烯可以吸附和脫附各種原子和分子。從表面化學(xué)的角度來看，石墨烯的性質(zhì)類似于石墨，可利用石墨來推測(cè)石墨烯的性質(zhì)。石墨烯化學(xué)可能有許多潛在的應(yīng)用，然而要石墨烯的化學(xué)性質(zhì)得到廣泛關(guān)注有一個(gè)不得不克服的障礙：缺乏適用于傳統(tǒng)化學(xué)方法的樣品。這一點(diǎn)未得到解決，研究石墨烯化學(xué)將面臨重重困難。2.制備2.1 石墨烯，一種由單層厚度碳原子緊密堆積而成成的二維蜂窩狀品格的新型碳材料【2】，由于其在不同領(lǐng)域的潛在的巨大的應(yīng)用價(jià)值【3】，近年來已經(jīng)吸引了科研人員極大的興趣和關(guān)注度。如何將石墨烯與其它材料復(fù)

7、合，增加他們的相容性是一個(gè)亟需解決的科研課題。制備性能優(yōu)異的基于石墨烯的復(fù)合材料不僅需要開發(fā)一種大規(guī)?；苽涫┑姆椒?，同時(shí)需要將石墨烯均勻地分散于其他的基體材料中【4】。22 石墨烯一聚苯乙烯復(fù)合材料的制備22 .1 氧化石墨烯(GoNS)和石墨烯(GNS)的制備氧化石墨(GO)采用改性的Hummers方法制備。約1 g天然鱗片石墨和05 g硝酸鈉加入到70 ml的濃硫酸中(冰浴中進(jìn)行)，然后加入KMn04，電磁攪拌反應(yīng)2 h，隨后加入水稀釋，再加入30的H202，直到體系變成亮黃色。隨后用大量去離子水稀釋，將得到的棕黃色的GO水溶液超聲，剝離形成穩(wěn)定的氧化石墨烯(GONS)的水溶液。隨后

8、加入一定量的氫氧化鉀溶液，隨后抽濾并用稀鹽酸洗滌，然后再用大量去離子水洗滌，將得到的產(chǎn)物真空干燥得到GONS的粉末固體。于1000C反應(yīng)2 h用水合肼還原GONS得到GNS。22.2 GNS-PS的制備約250 mg GONS分散在100 ml去離子水中，隨后加O1 g SDS和10 g St，并超聲15 min，然后加入01 g KPS，整個(gè)體系在氮?dú)獗Ｗo(hù)下在80。C下機(jī)械攪拌反應(yīng)5 h。隨后加入20 ml水合肼，在100 oC下電磁攪拌繼續(xù)反應(yīng)2 h。待冷卻至室溫后，抽濾，并用大量的去離子水和丙酮洗滌。純化后的產(chǎn)物在60 oC下真空干燥得到灰黑色的GNS-PS固體。3.性能31石墨烯是20

9、04年以來發(fā)現(xiàn)的新型電子材料【5】石墨烯是sp2雜化碳原子形成的厚度僅為單層原子的排列成蜂窩狀六角平面晶體。在單層石墨烯中，碳碳鍵長為0.142nm，厚度只有0.334nm。石墨烯是構(gòu)成下列碳同素異型體的基本單元：例如：石墨，碳納米管和富勒烯。石墨烯被認(rèn)為是平面多環(huán)芳香烴原子晶體。石墨烯在電子和光電器件領(lǐng)域有著重要和廣闊的應(yīng)用前景【6】正因?yàn)槿绱耍┑膬晌话l(fā)現(xiàn)者獲得了2010年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。石墨烯是一種沒有能隙的半導(dǎo)體，具有比硅高100倍的載流子遷移率(2×105cm2v)，在室溫下具有微米級(jí)自由程和大的相干長度，因此石墨烯是納米電路的理想材料石墨烯具有良好的導(dǎo)熱性3000W

10、(m ·K)、高強(qiáng)度(110GPa)和超大的比表面積(2630mZg)。這些優(yōu)異的性能使得石墨烯在納米電子器件、氣體傳感器、能量存儲(chǔ)及復(fù)合材料等領(lǐng)域有光明的應(yīng)用前景3. 2 石墨烯是一種半金屬或者零帶隙二維材料，在靠近布里淵區(qū)6個(gè)角處的低能區(qū)，其E-k色散關(guān)系是線性的【7】,因而電子或空穴的有效質(zhì)量為零，這里的電子或空穴是相對(duì)論粒子，可以用自旋為12粒子的狄拉克方程來描述。石墨烯的電子遷移率實(shí)驗(yàn)測(cè)量值超過15000cm2(V ·s)(載流子濃度n10 13cm -2)，在10100K范圍內(nèi)，遷移率幾乎與溫度無關(guān)，說明石墨烯中的主要散射機(jī)制是缺陷散射，因此，可以通過提高石墨烯

11、的完整性來增加其遷移率，長波的聲學(xué)聲子散射使得石墨烯的室溫遷移率大約為cm 2(V·s)(載流子濃度n10 12cm )，其相應(yīng)的電阻率為lO -6 ·cm，比室溫電阻率最小的銀的電阻率還小。硅的電子遷移率為l400cm 2(V.s)，電子在石墨烯中的傳輸速度是在硅中的100倍，因而未來的半導(dǎo)體材料是石墨烯而不是硅。這將使開發(fā)更高速的計(jì)算機(jī)芯片和生化傳感器成為可能。但是當(dāng)石墨烯生長在siO2襯底上時(shí)，由于襯底的光學(xué)聲子對(duì)電子的散射比石墨烯本身對(duì)電子的散射要強(qiáng)很多，導(dǎo)致電子的遷移率下降為40000cm 2(V·s)。同時(shí)，人們也研究了化學(xué)摻雜對(duì)石墨烯載流子遷移率的影

12、響。Schedin等發(fā)現(xiàn)【8】，即使雜質(zhì)濃度超過10 12cm-2 ，載流子遷移率也沒有發(fā)生變化。Chen等研究發(fā)現(xiàn)【9】，低溫和超高真空的環(huán)境下，對(duì)石墨烯摻雜金屬鉀可以使載流子的遷移率下降至原來的120左右，而當(dāng)加熱石墨烯，去除摻雜的鉀后，載流子的遷移率又可以恢復(fù)到以前的水平。石墨烯獨(dú)特的電子特性產(chǎn)生了一種令人預(yù)想不到的高不透光性，這種單原子層對(duì)白光的吸收率是一個(gè)非常令人驚奇的數(shù)字：a2.3 %，a是精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)?！?0】。石墨烯被認(rèn)為是理想的自旋電子學(xué)材料，因?yàn)槠渥孕卉壍礼詈虾苋?，而且碳原子的核磁矩幾乎為零，因此，電子的自旋注入核探測(cè)可以在室溫下進(jìn)行。石墨烯中，電子自旋擴(kuò)散長度在室溫下甚

13、至超過l m。石墨烯是現(xiàn)在世界上已知的最為堅(jiān)固的材料。哥倫比亞大學(xué)James Hone組的研究人員將石墨烯薄片襯于直徑為l15 m的SiO2空洞上【11】，用顯微鏡確定石墨烯的位置后，開始利用硅探頭來按壓石墨烯薄膜，但是，他們很快發(fā)現(xiàn)硅探頭的強(qiáng)度不夠，往往是石墨烯薄膜未破，硅探頭就斷了，后來就只能改用半徑大概為1030nm 的鉆石探頭來按壓，以得到薄膜被破壞時(shí)的應(yīng)力值。然而令人震驚的是，石墨烯的強(qiáng)度是世界上最好的鋼強(qiáng)度的100倍。最后，研究人員利用原子力顯微鏡針尖測(cè)量了石墨烯的力學(xué)性能，其彈性系數(shù)為10 5 Nm，而楊氏模量達(dá)05TPa。4.應(yīng)用4.1 透明電極工業(yè)上已經(jīng)商業(yè)化的透明薄膜材料是

14、氧化銦錫(ITO)，由于銦元素在地球上的含量有限，價(jià)格昂貴，尤其是毒性很大，使它的應(yīng)用受到限制。作為炭質(zhì)材料的新星，石墨烯由于擁有低維度和在低密度的條件下能形成滲透電導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)被認(rèn)為是氧化錫的替代材料，石墨烯以制備工藝簡單、成本低的優(yōu)點(diǎn)為其商業(yè)化鋪平了道路。Mullen研究組【12】通過浸漬涂布法沉積被熱退火還原的石墨烯，薄膜電阻為900 ，透光率為70，薄膜被做成了染料太陽能電池的正極，太陽能電池的能量轉(zhuǎn)化效率為026。2009年，該研究組采用乙炔做還原氣和碳源，采用高溫還原方法制備了高電導(dǎo)率(1425Scm)的石墨烯，為石墨烯作為導(dǎo)電玻璃的替代材料提供了可能。4.2 傳感器電化學(xué)生物傳感

15、器技術(shù)結(jié)合了信息技術(shù)和生物技術(shù)，涉及化學(xué)、生物學(xué)、物理學(xué)和電子學(xué)等交叉學(xué)科。石墨烯出現(xiàn)以后，研究者發(fā)現(xiàn)石墨烯為電子傳輸提供了二維環(huán)境和在邊緣部分快速多相電子轉(zhuǎn)移，這使它成為電化學(xué)生物傳感器的理想材料。Chen等【13】采用低溫?zé)嵬嘶鸬姆椒ㄖ苽涞氖┳鳛閭鞲衅鞯碾姌O材料，在室溫下可以檢測(cè)到低濃度NO2，作者認(rèn)為如果進(jìn)一步提高石墨烯的質(zhì)量，則會(huì)提高傳感器對(duì)氣體檢測(cè)的靈敏度。石墨烯在傳感器方面表現(xiàn)出不同于其它材料的潛能，使越來越多的醫(yī)學(xué)家關(guān)注它，目前石墨烯還被用于醫(yī)學(xué)上檢測(cè)多巴胺、葡萄糖等。4.3 超級(jí)電容器超級(jí)電容器是一個(gè)高效儲(chǔ)存和傳遞能量的體系，它具有功率密度大，容量大，使用壽命長，經(jīng)濟(jì)環(huán)保等

16、優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于各種電源供應(yīng)場(chǎng)所。石墨烯擁有高的比表面積和高的電導(dǎo)率，不像多孑L碳材料電極要依賴孔的分布，這使它成為最有潛力的電極材料。Chen等【14】以石墨烯為電極材料制備的超級(jí)電容器功率密度為10kWkg，能量密度為285Whkg，最大比電容為205Fg，而且經(jīng)過1200次循環(huán)充放電測(cè)試后還保留90的比電容，擁有較長的循環(huán)壽命。石墨烯在超級(jí)電容器方面的潛在應(yīng)用受到更多的研究者關(guān)注。4.4 能源存儲(chǔ)眾所周知，材料吸附氫氣量和其比表面積成正比，石墨烯擁有質(zhì)量輕、高化學(xué)穩(wěn)定性和高比表面積的優(yōu)點(diǎn)，使其成為儲(chǔ)氫材料的最佳候選者。希臘大學(xué)Froudakis等【15】設(shè)計(jì)了新型3D碳材料，孔徑尺寸可

17、調(diào)，他們將其稱為石墨烯柱。當(dāng)這種新型碳材料摻雜了鋰原子時(shí)，石墨烯柱的儲(chǔ)氫量可達(dá)到61(wt)。Ataca等【16】用鈣原子(Ca)摻雜石墨烯，利用第一性原理和從頭算起的方法得到石墨烯被Ca原子摻雜后儲(chǔ)氫量約為84(wt)；他們還發(fā)現(xiàn)氫分子的鍵能適合在室溫下吸放氫，Ca會(huì)留在石墨烯表面，有利于循環(huán)使用。Ataca的研究結(jié)果又一次推動(dòng)石墨烯儲(chǔ)氫向前邁進(jìn)一步。4.5 復(fù)合材料石墨烯獨(dú)特的物理、化學(xué)和機(jī)械性能為復(fù)合材料的開發(fā)提供了原動(dòng)力，可望開辟諸多新穎的應(yīng)用領(lǐng)域，諸如新型導(dǎo)電高分子材料、多功能聚合物復(fù)合材料和高強(qiáng)度多孔陶瓷材料等。Fan等利用石墨烯的高比表面積和高的電子遷移率，制備了以石墨烯為支撐材

18、料的聚苯胺石墨烯復(fù)合物，該復(fù)合物擁有高的比電容(1046Fg)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于純聚苯胺的比電客115Fg。石墨烯的加入提高了復(fù)合材料的多功能性和復(fù)合材料的加工性能等，為復(fù)合材料提供了更廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域。5.展望在短短的幾年間，石墨烯從一個(gè)新生兒快速成長為科學(xué)界的新星，自身優(yōu)異的性能漸漸被發(fā)掘和開發(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、太陽能電池和傳感器等，不同的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)κ┑囊笠膊煌坏谒?，開拓石墨烯和其它學(xué)科的交叉領(lǐng)域，探索石墨烯功能化的新性能。目

19、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。工程師們也在為開發(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，還存在很多問題，有待進(jìn)一步深入研究。參考文獻(xiàn):1 Nvoselov K S,Geim A K,Morozov S V,et al.Electric field effect in atomicallythin carbon filmsJ.Science, 2004,306(5696):666-6692 S. Das Sarma, A.K. Geim, A.H. MacDonald，Solid State Commu

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