新素材石墨烯的发现与应用到水处理的可行性.pdf

研究报告 新素材石墨烯的发现与应用到水处理的 可行性 Contents 一、理想的新素材石墨烯 1 二、石墨烯的水处理应用 6 三、结论 9 一、理想的新素材石墨烯 □ 石墨烯的定义 ○ 石墨烯是用于制造铅笔芯时三维结构石墨中一层的构成物质 ，是一种平面呈蜂窝状 晶格 ，具有二维单原子厚度的碳同素异形体。它是早先发现的零维球状富勒烯 （Fullerene ）、一维管状碳纳米管 （Carbon nanotube ，CNT ）的最基本构成 单位 ，与此前纳米素材有着截然不同的特性。 □ 石墨的特性 ○ 构成石墨烯的碳最外壳 4 个电子中 3 个电子形成 sp2 混成轨道 ，从而构成强烈的 共价键 α 键 ，余下 1 个电子与周围其他碳构成 π 键 ，组成六角形蜂窝形状二维 结构体 ； ○ 石墨烯与一般物质有着不同带结构 ，即使没有能隙 （Bandgap ）也具有传导性 ， 是费米能级中电子态密度为 “0”类金属物质 ； [图1] 石墨烯与主要碳同素异形体 （左起依次为富勒烯、碳纳米管、石墨 ） ○ 另外 ，石墨烯带有受杂质情况影响 ，从而改变电荷担体种类的两极传导特性 ，而 这一特性是决定石墨烯的电和光学特性的重要因素 ； ○ 石墨烯相比以导电性强著称的铜有着更卓越的电子迁移率和电流密度 ，而石墨烯 的强度比钢铁更强 ，而且电阻与柔韧性比新素材 CNT 与 ITO 更加优秀。 特性项目 石墨烯 与其他物质对比 电子迁移率 200,000cm2/V·s 铜的 150 倍 电特性 最大电流密度 -5.0 × 108 A/cm2 铜的 150 倍 薄膜电阻 <50Ω·sq 碳纳米管膜 ： 400-500Ω·sq 强度 1,100 Gpa 钢铁的 200 倍 机械特性 柔韧性 原来面积的 20% ITO ：原来面积的 1% 热特性 比热容 5,000 W/m·K CNT 的 1.5 倍 光学特性 透射率 98% ITO: >98% [表 1] 石墨烯特性 2 □ 石墨烯的制作方法 ○ 石墨烯的制作方法 ，除了前述的从石墨中进行分离的 “Top-down”方式以外 ， 还有利用石墨烯组成元素碳重新制造石墨烯的 “Bottom-up”方式。 ○ 机械剥离法 （Mechanical cleavage ） - 机械剥离法是先前提到的海姆与诺沃肖洛夫最初发现石墨烯时所采用的方法 ，是 一项利用透明胶带 （Scotch Tape ）的简便方法 ； [图 2] 利用机械剥离法 （透明胶带法 ）制作石墨烯 - 将石墨粉放置于透明胶带上 ，反复进行粘贴 ，将留有石墨痕迹的透明胶带粘在 SiO2 圆片上进行揉搓 ，之后圆片上将留下一层分离后的石墨烯。由于石墨烯可在水平 方向形成强烈的共价键 ，而垂直方向则由较弱的范德华力相连接