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        石墨烯的重要用途和制備方法
        時間 : 2019-06-14 09:38 瀏覽量 : 24

        【摘錄】石墨烯的重要用途和制備方法

        【石墨烯概要】

        石墨烯被稱為“黑金”、“新材料之王”,是由碳原子緊密堆積而成的二維晶體,是目前已知的最薄、也最堅硬的納米材料,具有超柔韌、超高強度、超薄、超輕、超強導電性、優異的導熱和透光性等特性,電子遷移率高、電阻率低、集透光性好、導熱系數高、機械強度高等多種優異性能于一身,在磁學、生物醫學、電子學、光學、催化、儲能和傳感器等諸多領域有著廣闊而巨大的應用潛能,是主導未來高科技競爭的超級材料。

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        石墨烯與石墨的區別

        石墨烯是單層的石墨,石墨可以看成是由多層石墨烯一層層疊加起來的,氧化石墨是將石墨通過強氧化劑氧化,表面生成羥基、羧基等官能團,將氧化石墨超聲分散后,由于超聲的振蕩,分散作用很容易將氧化石墨分散層片狀的結構即氧化石墨烯,將氧化石墨烯用還原劑還原又可得到石墨烯。


        【石墨烯的重要用途】

        1、制造下一代超級計算機。石墨烯是目前已知導電性能最好的材料,這種特性尤其適合于高頻電路,石墨烯將是硅的替代品,可用來生產未來的超級計算機,使電腦運行速度更快、能耗降低。

        2、制造新一代太陽能電池。石墨烯透明導電膜對于包括中遠紅外線在內的所有紅外線的高透明性,是轉換效率非常高的新一代太陽能電池最理想材料。

        3、可作為液晶顯示材料。石墨烯是一種“透明”的導體,可以用來替代現在的液晶顯示材料,用于生產下一代電腦、電視、手機的顯示屏。

        4、石墨烯適合制作透明觸摸屏、透光板。

        5、制造光子傳感器。去年10月,IBM的一個研究小組首次展示了他們研制的石墨烯光電探測器。

        6、制造醫用消毒品和食品包裝。中國科研人員發現細菌的細胞在石墨烯上無法生長,而人類細胞卻不會受損。利用石墨烯的這一特性可以制作繃帶,食品包裝,也可生產抗菌服裝、床上用品等。

        7、創制“新型超強材料”。石墨烯與塑料復合,可以憑借韌性,兼具超薄、超柔和超輕特性,是下一代新型塑料。

        8、制造出紙片般薄的超輕型飛機材料、制造出超堅韌的防彈衣,具有軍事用途。

        9、制造晶體管集成電路。石墨烯可取代硅成為下一代超高頻率晶體管的基礎材料,而廣泛應用于高性能集成電路和新型納米電子器件中。


        【石墨烯的制備方法】

        機械剝離法:

        機械剝離法是利用物體與石墨烯之間的摩擦和相對運動,得到石墨烯薄層材料的方法。這種方法操作簡單,得到的石墨烯通常保持著完整的晶體結構。

        2004年,英國兩位科學使用透明膠帶對天然石墨進行層層剝離取得石墨烯的方法,也歸為機械剝離法,這種方法一度被認為生產效率低,無法工業化量產。 

        雖然這種方法可以制備微米大小的石墨烯,但是其可控性較低,難以實現大規模合成。

        氧化還原法:

        氧化還原法是通過使用硫酸、硝酸等化學試劑及高錳酸鉀、雙氧水等氧化劑將天然石墨氧化,增大石墨層之間的間距,在石墨層與層之間插入氧化物,制得氧化石墨(Graphite Oxide)。

        然后將反應物進行水洗,并對洗凈后的固體進行低溫干燥,制得氧化石墨粉體。通過物理剝離、高溫膨脹等方法對氧化石墨粉體進行剝離,制得氧化石墨烯。最后通過化學法將氧化石墨烯還原,得到石墨烯(RGO)。

        這種方法操作簡單,產量高,但是產品質量較低。氧化還原法使用硫酸、硝酸等強酸,存在較大的危險性,又須使用大量的水進行清洗,帶大較大的環境污染。

        使用氧化還原法制備的石墨烯,含有較豐富的含氧官能團,易于改性。但由于在對氧化石墨烯進行還原時,較難控制還原后石墨烯的氧含量,同時氧化石墨烯在陽光照射、運輸時車廂內高溫等外界每件影響下會不斷的還原,因此氧化還原法生產的石墨烯逐批產品的品質往往不一致,難以控制品質。

        取向附生法:

        取向附生法是利用生長基質原子結構“種”出石墨烯,首先讓碳原子在1150℃下滲入釕,然后冷卻,冷卻到850℃后,之前吸收的大量碳原子就會浮到釕表面,最終鏡片形狀的單層的碳原子會長成完整的一層石墨烯。

        第一層覆蓋后,第二層開始生長。底層的石墨烯會與釕產生強烈的相互作用,而第二層后就幾乎與釕完全分離,只剩下弱電耦合。

        但采用這種方法生產的石墨烯薄片往往厚度不均勻,且石墨烯和基質之間的黏合會影響碳層的特性。

        碳化硅外延法:

        SiC外延法是通過在超高真空的高溫環境下,使硅原子升華脫離材料,剩下的C原子通過自組形式重構,從而得到基于SiC襯底的石墨烯。這種方法可以獲得高質量的石墨烯,但是這種方法對設備要求較高。

        赫默法:

        通過Hummer法制備氧化石墨;將氧化石墨放入水中超聲分散,形成均勻分散、質量濃度為0.25g/L~1g/L的氧化石墨烯溶液,再向所述的氧化石墨烯溶液中滴加質量濃度為28%的氨水;將還原劑溶于水中,形成質量濃度為0.25g/L~2g/L的水溶液;將配制的氧化石墨烯溶液和還原劑水溶液混合均勻,將所得混合溶液置于油浴條件下攪拌,反應完畢后,將混合物過濾洗滌、烘干后得到石墨烯。

        化學氣相沉積法:

        化學氣相沉積法即(CVD)是使用含碳有機氣體為原料進行氣相沉積制得石墨烯薄膜的方法。

        這是目前生產石墨烯薄膜最有效的方法。這種方法制備的石墨烯具有面積大和質量高的特點,但現階段成本較高,工藝條件還需進一步完善。由于石墨烯薄膜的厚度很薄,因此大面積的石墨烯薄膜無法單獨使用,必須附著在宏觀器件中才有使用價值,例如觸摸屏、加熱器件等。

        低壓氣相沉積法是部分學者使用的,其將單層石墨烯在Ir表面上生成,通過進一步研究可知,這種石墨烯結構可以跨越金屬臺階,連續性的和微米尺度的單層碳結構逐漸在Ir表面上形成。 [33] 毫米量級的單晶石墨烯是利用表面偏析的方法得到的。厘米量級的石墨烯和在多晶Ni薄膜上外延生長石墨烯是由部分學者發現的,在1000℃下加熱300納米厚的Ni 膜表面,同時在CH4氣氛中進行暴露,經過一段時間的反應后,大面積的少數層石墨烯薄膜會在金屬表面形成。

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