石墨烯的制备方法及展望

　　自从2004年，英国曼彻斯特大学物理和天文学系的Geim和Novoselov首次制备出稳定的石墨烯后，石墨烯便以其优异的性能和独特的二维结构成为材料领域的研究热点。

　　我国是目前石墨烯研究和应用开发Z为活跃的国家之一。数据显示，在所有国家中，我国申请的石墨烯ZL数量Z多，已超过2200项，占全世界的1/3。

一、石墨烯的结构及性能

　　1、石墨烯的结构

　　石墨烯又称单层石墨或二维石墨，其理想结构是被剥离的单原子层石墨，它的基本结构是sp2杂化碳原子形成的类六元环苯单元，其理论厚度仅为0.35nm，是目前所发现的Z薄的二维材料。作为石墨材料的基本单元，它极大地丰富了碳材料家族，如图1所示，石墨烯能够翘曲形成零维的富勒烯，卷曲形成一维的碳纳米管以及堆叠形成三维的石墨。

　　2、石墨烯的物理性质及电学性能

　　石墨烯具有特殊的单原子层结构和新奇的物理性质，不仅具有优异的电学性能，还具有以下特性：超高的强度，高达130GPa，是钢的100多倍;突出的导热性能，热导率高达5000J/(m·K·s)，是金刚石的3倍多;其载流子迁移率达1.5×10⁴cm²/(V·s)，是锑化铟材料的2倍，是商用硅片的10倍，在特定条件下，其载流子迁移率甚至可高达2.5×10⁵cm²/(V·s);比表面积理论计算值高达2630m²/g;此外，石墨烯还具有wan美的量子隧道效应、室温铁磁性、永不消失的电导率等一系列性质，因而备受关注。

二、石墨烯的制备方法

物理方法：

　　物理方法的优点是原料便宜易得，一般多采用石墨或膨胀石墨，制备得到的石墨烯平面结构较大、纯度较高、缺陷较少;但是产率低，且通常需要时间较长，很难形成大规模生产;物理方法主要包括微机械剥离法以及在此基础上发展而来的液相直接剥离法。

　　1、微机械剥离法

　　微机械剥离法是Z早用于制备石墨烯的方法，也是英国曼彻斯特大学物理和天文学系Geim等采用的方法，其原理是在高取向热解石墨表面刻蚀，然后将其压制到玻璃衬底上，经烘焙、反复粘撕，从而得到单层石墨烯;

　　2、液相直接剥离法

　　液相直接剥离法是直接把石墨或膨胀石墨加在某种有机溶剂或水中，借助超声波、加热或气流的作用制备一定浓度的单层或多层石墨烯溶液。其中Coleman研究小组在水/十二烷基苯磺酸钠中超声处理石墨30min，制备得到了具有较高的导电率且在5层以下石墨烯，并详细研究了石墨以及十二烷基苯磺酸钠浓度对石墨烯产率的影响。

化学方法：

　　化学方法Z早是采用苯环或其他芳香体系作为反应物，通过偶联反应取代苯环或大芳香环上的碳，再脱氢形成芳香环，不断反应使芳香体系变大。但该方法只能得到平面结构不大的石墨烯，后来逐渐发展起来的化学方法主要包括化学气相沉积法、晶体外延生长法、氧化-还原法等。

　　1、化学气相沉积法

　　化学气相沉积法是目前能够实现可控制备石墨烯的有效方法，它是将金属薄膜、金属单晶等作为基底，提供高温可分解甲烷、乙烯等气氛，使得气氛经高温退火后形成碳原子沉积在基底表面形成石墨烯，Z后用化学腐蚀法去除金属基底后即可得到独立的石墨烯片。

　　该方法由于能够通过选择基底的类型、生长的温度、前驱体的流量等参数，调控石墨烯的生长速率、厚度、面积等，因而能够制备出面积较大的石墨烯片。

　　CVD法可满足规模化制备高质量、大面积石墨烯的要求，但现阶段较高的成本、复杂的工艺以及精确的控制加工条件制约了CVD法制备石墨烯的发展，因此该法仍有待进一步研究。

　　2、晶体外延生长法

　　晶体外延生长法，又称为SiC高温退火法，一般是通过加热6H-SiC单晶，脱附Si原子制备出石墨烯。

　　制得的石墨烯片层厚度主要由加热温度所决定，这种方法虽然能够制备出1-2碳原子层厚的石墨烯，但是由于不易从衬底上分离出来，难以成为大量制造石墨烯的方法。

　　3、氧化-还原法

　　氧化-还原法是目前Z常用的制备石墨烯的方法，其原理是先处理石墨，形成石墨层间化合物，然后加入强氧化剂对其进行氧化得到氧化石墨烯，对其进行修饰然后再进行还原。

　　氧化-还原法虽然能够以相对较低的成本制备出大量的石墨烯，但即使被强还原剂还原后，石墨烯的原始结构也并不能完全恢复，而使其电子结构及晶体的完整性均受到严重破坏，一定程度上限制了其在某些领域(如精密的微电子领域)中的应用。

　　因此，如何大量、低成本制备出高质量的石墨烯材料仍是未来研究的一个ZD。

三、石墨烯在储能领域的应用和展望

　　目前，将石墨烯应用于锂离子电池负极中的实践，证明了其能够大幅度提升电池的比容量和稳定性。

　　将石墨烯材料广泛应用于化学电源、超级电容器乃至燃料电池以及太阳能电池等成熟的储能产品中具有广阔的产业化前景，其源于石墨烯电池结合了锂离子电池和超级电容电池的优点——功率密度比锂电池高 100倍，能量储存密度比传统超级电容高30倍。世界各国对此非常重视，包括欧、美、日、韩等各国已在石墨烯产业研发投入了数以亿计的资金和物力。

　　我国在石墨烯集流体和石墨烯新材料研究中具有优势;在太阳能电池领域，我国对石墨烯的应用无论在申请时间或申请数量上都具有明显优势;对于燃料电池领域，国外关于石墨烯质子交换膜方面布局了大量的ZL壁垒，我国可以在石墨烯催化剂和石墨烯电极中寻求突破。