三維石墨烯的制備

1、三維石墨烯的制備第一頁，共17頁。一、石墨烯概述二、石墨烯的性質(zhì)三、石墨烯的制備四、三維石墨烯的制備五、三維石墨烯的應(yīng)用第二頁，共17頁。一、石墨烯概述1.石墨烯是由碳原子通過sp2雜化所構(gòu)成的單原子層二維納米材料，它具有蜂窩狀的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，與石墨的單原子層類似。2.石墨烯看做構(gòu)成碳材料的基本結(jié)構(gòu)單元。3.石墨烯的研究主要集中在電學(xué)性能、力學(xué)性能、熱學(xué)、量子力學(xué)、生物兼容等方面。4.石墨烯的產(chǎn)量和質(zhì)量仍然有待于提升，優(yōu)化制備過程，研究更加綠色、簡單和成本低廉的制備方法仍是目前石墨烯研究領(lǐng)域的重要挑戰(zhàn)。第三頁，共17頁。二、石墨烯的性質(zhì)2.1電學(xué)性能1.石墨烯是一個(gè)良好的電荷載體，有望成為下一代的

2、半導(dǎo)體材料。2.石墨烯屬于零帶隙的半導(dǎo)體，可以稱為半金屬，具有金屬性。3.石墨烯在室溫下在SiO2中載荷子的遷移率可達(dá)15000cm2/(Vs) 。2.2光學(xué)性能1.石墨烯具有很高的透光性。2.改變費(fèi)米能級(jí)可以改變石墨烯的光學(xué)躍遷 。3.石墨烯具有光致發(fā)光特性 。第四頁，共17頁。2.3力學(xué)性能1.石墨烯具有高的彈性楊氏模量和抗斷強(qiáng)度。圖1. 納米探測(cè)測(cè)量石墨烯機(jī)械強(qiáng)度示意圖第五頁，共17頁。2.4熱學(xué)性能1.石墨烯作為一種新型的電子設(shè)備材料，具有優(yōu)越的熱學(xué)性能。圖2. 拉曼光譜法測(cè)量懸浮石墨烯熱導(dǎo)率示意圖第六頁，共17頁。三、石墨烯的制備3.1機(jī)械剝離法原理：機(jī)械剝離法是利用機(jī)械能破壞石墨片

3、層間脆弱的鍵合二獲得單層的石墨烯。1. 首先在1mm 厚的石墨表面刻蝕出許多5m厚的臺(tái)階。2.然后將使用透明膠帶反復(fù)撕扯，使用丙酮將薄片轉(zhuǎn)移到硅基底上，即可得到單層或寡層石墨烯。 。步驟：第七頁，共17頁。3.2化學(xué)還原法1.Brodie法使用發(fā)煙硝酸和氯酸鉀對(duì)石墨進(jìn)行氧化3.Hummers法2.Staudenmaier法使用了濃硝酸和濃硫酸的混合物與氯酸鉀原理：化學(xué)還原法使用強(qiáng)酸和強(qiáng)氧化劑將石墨氧化成氧化石墨烯，再將氧化石墨烯還原得到石墨烯使用了濃硫酸、硝酸鉀和高錳酸鉀對(duì)石墨進(jìn)行氧化第八頁，共17頁。3.2化學(xué)還原法圖3. Hummers法制備石墨烯過程示意圖還原劑：水合肼、乙二胺、抗壞血酸

4、、檸檬酸鈉、L-光膀氨酸、氨水蒸汽、氫碘酸優(yōu)點(diǎn)：成本低廉、效率高、適合工業(yè)化批量生產(chǎn)石墨烯第九頁，共17頁。3.3化學(xué)氣相沉積法1.在180下將樟腦蒸發(fā)熱解，在700800下用氬氣作為承載氣體使熱解的樟腦進(jìn)入放有鎳板的CVD爐中。步驟：2.然后使其自然冷卻到室溫，就可以在鎳基底上得到石墨烯。缺點(diǎn)：產(chǎn)量小，能耗高，所制備的石墨烯不易分散于水中，難以滿足工業(yè)化生產(chǎn)高質(zhì)量石墨烯的要求優(yōu)點(diǎn)：制備的石墨烯連續(xù)、無缺陷、尺寸大、性能優(yōu)異、甚至可以控制所制備的石墨烯的形狀，在電子器件領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景第十頁，共17頁。3.4外延生長法原理：單晶碳化硅的(0001)面上分解出石墨烯的1.具體過程是對(duì)碳化硅進(jìn)

5、行氧化或用氫氣刻蝕；2.然后將其置于超高真空中，用電子束轟擊加熱到 1000，同時(shí)去除氧化物。用俄歇電子能譜檢測(cè)碳化硅表面，確定氧化物被完全祛除；4.最后是樣品加熱到12501450保溫120min，便可形成片層數(shù)量極少的石墨層。步驟：缺點(diǎn)：難以制備出較大尺寸的石墨烯，制備過程所需溫度高、對(duì)真空度要求高、成本高并且所制備的石墨烯成膜不均勻第十一頁，共17頁。四、三維石墨烯的制備自組裝法GO在有機(jī)凝膠中的膠結(jié)GO在水凝膠中的膠結(jié)GO在氣凝膠中的膠結(jié)第十二頁，共17頁。四、三維石墨烯的制備模板法模板CVD法冰模板法SiO2模板法第十三頁，共17頁。五、三維石墨烯的應(yīng)用1.超級(jí)電容器a.大的比表面積

6、、高的電導(dǎo)率和高的化學(xué)穩(wěn)定性使得石墨烯成為電化學(xué)雙電層電容器（EDLC）的很具潛力的電極材料。b.石墨烯的堆疊使其2600m2g-1的比表面積未能完全利用，以及與之對(duì)應(yīng)的550Fg-1的固有比電容亦未能充分發(fā)揮。c.3D石墨烯增大了電極的可及比表面積、提高了石墨烯網(wǎng)絡(luò)的電導(dǎo)率并且具有利于電解液中離子傳輸?shù)亩嗫淄ǖ?。第十四頁，?7頁。五、三維石墨烯的應(yīng)用a.石墨烯由于其高的電導(dǎo)率、大的比表面積、高的化學(xué)穩(wěn)定性以及對(duì)催化劑顆粒強(qiáng)的附著力被認(rèn)為是燃料電池催化劑應(yīng)用的一個(gè)強(qiáng)有力的候選者。b.石墨烯或GO表面大量的官能團(tuán)可以為催化劑納米顆粒的成核和附著提供更多的機(jī)會(huì)。2.燃料電池第十五頁，共17頁。五、三維石墨烯的應(yīng)用a.三維結(jié)構(gòu)的石墨烯和氧化石墨烯擁有巨大的比表面積，因而能夠提供大量的吸附活性位點(diǎn)；這種多孔材料具有非常大的孔隙率，因此具有巨大的吸收空間。b. 3D石墨烯材料具有很好的氣體吸附能力，并且被證明是去除水中污染物（如有機(jī)溶劑、油、重金屬離子和染色體）的有效吸附和吸收材料。因此石墨烯3D材料可以用于吸附空氣中的有害氣體以及水資源凈化 。3.環(huán)境治理第十六頁，共17頁。五、三維石墨烯的