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石墨烯

石墨烯(graphene)是一种二维碳材料,是单层石墨烯、双层石墨烯和少层石墨烯的统称。石墨烯一直被认为是假设性的结构,无法单独稳定存在,直到2004年,英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·盖姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫,成功从石墨中分离出石墨烯,证实它可以单独存在,两人也因此共同获得2010年诺贝尔物理学奖。

石墨烯

石墨烯是什么

一、石墨烯简介

  石墨烯是从石墨材料中剥离出来,是由单层碳原子经电子轨道杂化后形成的蜂巢状二维晶体,厚度仅0.335nm。既是现今最薄的材料,也是最强韧的材料,断裂强度比最好的钢材还要高200倍。同时它也有很好的弹性,拉伸幅度能达到自身尺寸的20%。

  石墨烯是从石墨材料中剥离出来的二维碳材料,按照碳原子层数可分为单层石墨烯、多层石墨烯及石墨烯微片。其中单层石墨烯是指碳原子仅仅在二维平面以六角蜂巢结构排列构成的严格单层碳材料,是一种没有能隙具有线性能量分布的半导体,由于电子可以在晶体中自由移动而赋予单层石墨烯非常好的导电性。

  根据中国石墨烯产业技术创新战略联盟标准,单层石墨烯指由一层碳原子构成的二维碳材料。石墨烯是由不多于10层的单层石墨烯周期性紧密堆积构成。石墨烯材料泛指与石墨烯相关的、不多于10个碳原子层的二维碳材料。

  石墨烯导电性强、可弯折、机械强度好,潜在用途包括制作保护涂层、透明可弯折电子元件、超大容量电容器等。由于石墨烯是目前世界上最薄、最坚硬、导热性及导电性最好的碳原子纳米材料,被誉为是颠覆未来的一种战略性新兴材料,如果说20世纪是单晶硅的世纪,那么21世纪可能会是石墨烯的世纪。石墨烯拥有极强导电、导热等性能,未来应用领域非常广泛,这也引起了全球各界高度关注。

二、石墨烯的特性

  1、稳定性

  石墨烯中碳原子均由共价键连接,共价键的键能是相对比较高的,相对于分子间作用力、氢键、金属键等,共价键不易被破坏。由于石墨烯的结构其实是一个大的离域π键,其C-C键的强度要高于金刚石的单键,我们也可以从热力学的角度看到石墨烯的熔点为3850℃左右,金刚石的熔点为3550℃左右,可以发现,石墨烯比金刚石更加稳定。

  2、导电性

  石墨烯最大的特性是其中电子的运动速度达到了光速的1/300,远远超过了电子在一般导体中的运动速度。这使得石墨烯中的电子的性质和相对论性的中微子非常相似。

  石墨烯的导电机理:由于石墨烯所有原子均参与了离域,所以其整个片层上下两侧电子都可以自由移动。并且由于共价单键的稳定性,石墨烯不会出现某位置碳原子的缺失或被杂原子替换,保证了大π键的完整性,电子在其中移动时不会受到晶体缺陷的干扰,得以高速传导,因此石墨烯有着超强的导电性。

  3、透明性与不透明性

  由于石墨烯是单薄片状态的,光子虽然不能穿透碳原子核,但是,可以穿透碳原子核之间的广大的空间,所以,石墨烯是一种透明的物质,当几个石墨烯分子层叠加在一起时,由于碳原子核排列有序,光很容易穿透方队中的间隙呈现透明状态。

  尽管只有单层原子厚度,但石墨烯有相当的不透明度:可以吸收大约2.3%的可见光。而这也是石墨烯中载荷子相对论性的体现。

  4、机械特性

  石墨烯之所以硬,是因为碳原子或的绕核电子只是在碳原子核的径方向面上存在着和运动着,碳原子核两极的轴方向上是没有绕核电子的,就是说,石墨烯表面上立的或排列的都是原子核,如果外部物质与它撞击,撞击的不是绕核电子而是直接撞击在原子核上,所以,石墨烯表面显示的非常硬。

 

石墨烯是什么

石墨烯的制备

一、机械剥离法

  通过施加外力破坏石墨的层间范德华力,从而从石墨上直接撕拉下片层即成为石墨烯,或者将石墨与另一种固体进行摩擦也可以剥离出石墨烯。通过机械剥离这种方法法制备的石墨稀,晶体结构比较完整,物理性能相对优良。但是产量低、人力耗费大。此种方法首次证明单层石墨烯的稳定存在,成为 2010年诺贝尔物理学奖的获奖理由。

二、溶剂剥离法

  将少量的石墨分散在有机溶剂中,利用一定强度的超声波来破坏石墨层间的范德华力,以方便溶剂分子可以渗入到石墨各层中,然后在强烈的超声作用下发生膨胀,以实现石墨的剥离。这种方法可以生产高质量的石墨烯,不会在石墨烯表面引入其他的缺陷,而且还可以实现规模化生产,更方便其在电子领域的应用。但是由于所需要有机溶剂的选择有一定的局限性,使得某些复合材料的制备受到限制,因此使其不能广泛的应用于化学领域。

三、气相沉积法

  这种方法是将通入的甲烷气体先加热至 1000℃,然后迅速降至室温条件,从而在镍层表面沉积出约六到十层的石墨烯。这种方法制备出的石墨烯表面积大、质量高、性能优异,而且还可以实现大规模的制备。但与此同时,这种方法制备成本高,工艺条件比较复杂,可重复性比较难,这些缺点限制了此种方法的广泛应用。

四、碳化硅外延生长法

  这种方法是加热单晶碳化硅,从而在单晶面上分解出石墨烯片层的一种方法。此种方法获得的单层或者是双层石墨烯质量比较好,结构比较完整。但是它的制备工艺要求比较高,不容易实现规模的制备,也不容易得到均匀的膜层。

五、氧化石墨烯还原法

  这种方法的基本过程是:先制备出氧化石墨烯,然后氧化石墨烯在一定还原剂的作用下被还原成为石墨烯。而氧化石墨烯的制备原理就是石墨在强酸和强氧化剂的共同作用下先形成石墨层间化合物,此层间化合物会再在过量强氧化剂的作用下发生深度氧化反应,进而水解得到氧化石墨,最后氧化石墨通过超声作用或者长时间搅拌破坏分子间作用力而转化为氧化石墨烯。

  氧化石墨烯是石墨烯的一种派生物,和石墨烯的结构基本相同,只是在表面上以及边缘处连接有大量含氧基团:羟基,环氧基,羧基以及羰基。这些含氧官能团的引进增加了氧化石墨烯的水溶性,这在制备石墨烯基复合材料方面起着至关重要的作用。氧化石墨烯可以在初期吸附离子或者是分子,再通过其他的工艺过程既可以得到理想的复合材料。

 

石墨烯的应用

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