第13章 新型二维碳材料 — 石墨烯.pdfVIP

新型二维碳材料 — 石墨烯 碳元素不但是自然界中重要的生命元素之一，而且与人类文明的发展密切相关。从人类 文明早期用以提供能源的木炭、煤炭，到记录文字信息的石墨直至20 世纪末期发现的富勒 烯和碳纳米管，碳元素以其丰富多彩的结构形式和赋存状态吸引着全世界科研人员的目光 2004年，英国曼彻斯特大学的Konstantin Novoselov和Andre Geim 等人在Science上发表了名 为“Electric Field Effect in Atomically Thin Carbon Films ”的论文，第一次证实了一类具有原 子级别厚度且集多种优良特性于一身的新型二维碳材料，并将其取名为石墨烯（graphene ）， 人类对碳材料的认识又向前前进了一大步 2 2 2 2 碳原子的基态电子排布是1s 2s 2p 。在石墨烯中，碳原子以sp 杂化轨道形成“头碰头” 2 2 的σ键。每一个碳原子以3个sp 杂化轨道与另外3个相邻碳原子的sp 轨道相重叠，6个碳原子 在同一个平面上形成了一个正六边形的环，以此为基础伸展成片层结构。原子之间形成单键 的时候各给出一个电子，在4个电子中有3个电子用以形成碳碳单键，而每一个碳原子上面都 剩下一个价电子。这样，相邻碳原子的p 单电子通过平行重叠形成π键，使相邻的碳原子之 z 间存在碳碳双键，它比碳碳单键有着更强的活性。由于每一个碳原子上都有一个p 电子，因 z 此在整个石墨烯碳骨架表面覆盖了离域π 电子，这样的电子结构称为大π键。由于石墨烯在 结构上和烯烃有许多相似之处，故将其称之为石墨烯 目前，石墨烯材料的制备主要有以下方法： ●● 机械剥离法 机械剥离法 ●● 机械剥离法机械剥离法 机械剥离法是2004年由英国曼彻斯特大学Andre Geim研究组发展的一种制备石墨烯的 方法。其基本原理是利用胶带的粘合力，通过多次粘贴将热解石墨、鳞片石墨片通过反复黏 连和撕取进行层层剥离，然后将带有石墨薄片的胶带粘贴到硅片等目标基体上，最后将胶带 放在丙酮中超声后去除，从而在硅片等基体上得到单层和少层的高质量石墨烯。利用机械剥 离法制备石墨烯产率低，成本高，因此难以满足工业化和规模化生产要求，通常只是作为实 验室小规模制备的方法 ●● 氧化 氧化 –还原法–还原法 ●● 氧化氧化 ––还原法还原法 利用氧化-还原法制备石墨烯的基本原理是利用天然石墨与强酸和强氧化性物质反应生 成氧化石墨烯（GO ），利用其表面的官能团将石墨烯层与层之间柱撑开，经过超声分散制 备成单层氧化石墨烯，再加入还原剂去除氧化石墨表面的含氧基团 （如，羧基、环氧基、羟 基等），可以得到石墨烯 氧化-还原制备石墨烯通常分为三步：氧化、剥离、还原。利用 氧化-还原法制备石墨烯，工艺简单易行，目前成为实验室制备石墨烯的最简便的方法。同 时，氧化–还原法可 以制备稳定的石墨烯悬浮液，解决了石墨烯难 以分散在溶剂 中的问题 氧化–还原法的缺点是宏量制备容易带来废液污染，同时制备的石墨烯存在一定的缺陷 ，例 如，五元环、七元环等拓扑缺陷或存在–OH基团的结构缺陷，这些会导致石墨烯部分 电学性 能的损失 ，使石墨烯的应用受到限制 ●● 化学气相沉积法（ 化学气相沉积法（CVD）CVD） ●● 化学气相沉积法（化学气相沉积法（CVDCVD）） 化学气相沉积是利用含碳化合物作为碳源，通过其在基体表面的高温分解来制备生长石 墨烯的方法。石墨烯的化学气相沉积生长主要涉及碳源、生长基体和生长条件 （如气压、载 气、温度等）三个方面。目前生长石墨烯的碳源主要是各种烃类气体，如甲烷 （CH ）、乙