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    石墨烯

    石墨烯, , 結構式
    石墨烯
    CAS號:
    英文名稱:
    graphene
    英文同義詞:
    graphene
    中文名稱:
    石墨烯
    中文同義詞:
    石墨烯;還原石墨烯;石墨烯納米片
    CBNumber:
    CB22470900
    分子式:
    分子量:
    0
    MOL File:
    Mol file

    石墨烯化學性質

    安全信息

    石墨烯性質、用途與生產工藝

    石墨烯是什么?

    石墨烯又稱”單層石墨片“,是指一層密集的、包裹在蜂巢晶體點陣上的碳原子,碳原子排列成二維結構,與石墨的單原子層類似。
    2004年,二維結構石墨烯的發現推翻了“熱力學漲落不允許二維晶體在有限溫度下自由存在”的認知,震撼了整個物理界,它的發現者---英國曼切斯特大學物理和天文學系的Geim 和Novoselov也因此獲得了2008年諾貝爾物理學獎的提名。與碳納米管相比,石墨烯有完美的雜化結構,大的共軛體系使其電子傳輸能力很強,而且合成石墨烯的原料是石墨,價格低廉,這表明石墨烯在應用方面將優于碳納米管。與硅相比,石墨烯同樣具有獨特優勢: 硅基的微計算機處理器在室溫條件下每秒鐘只能執行一定數量的操作,然而電子穿過石墨烯幾乎沒有任何阻力,所產生的熱量也非常少。另外,石墨烯本身就是一個良好的導熱體,可以很快地散發熱量。由于具有優異的性能,如果由石墨烯制造電子產品,則運行的速度可以得到大幅提高。速度還不是石墨烯的唯一優點。硅不能分割成小于10nm 的小片,否則其將失去誘人的電子性能; 與硅相比,石墨烯被分割時其基本物理性能并不改變,而且其電子性能還有可能異常發揮。因而,當硅無法再分割得更小時,比硅還小的石墨烯可繼續維持摩爾定律, 從而極有可能成為硅的替代品推動微電子技術繼續向前發展。
    石墨烯 分子結構
    石墨烯 分子結構

    發現歷史

    在近20年中, 碳元素引起了世界各國研究人員的極大興趣。自富勒烯和碳納米管被科學家發現以后, 三維的金剛石、”二維“的石墨、一維的碳納米管、零維的富勒球組成了完整的碳系家族。其中石墨以其特殊的片層結構一直以來是研究的一個熱點。石墨本體并非是真正意義的二維材料, 單層石墨碳原子層( Graphene) 才是準二維結構的碳材料。單層石墨碳原子層是指一個C 原子層厚度的石墨, C-C間依靠共價鍵相連接的蜂窩狀結構層。人們一直在試圖找到一種方法來制備出碳元素的準二維材料。
    關于準二維晶體的存在性, 科學界一直存在爭論。早在1934 年Peierls 等就認為準二維晶體材料由于其本身的熱力學不穩定性, 在室溫環境下會迅速分解或拆解。1966 年Mer-min 和Wagner提出Mermin-Wagner理論, 也聲稱不存在二維晶體材料。但單層石墨烯作為研究碳納米管的理論模型得到了廣泛的關注。直到2004年, 英國曼徹斯特大學的物理學教授Geim等用一種極為簡單的微機械力剝離方法得到了單層石墨烯晶體, 才引起了科學界新一輪的“碳”熱潮。Geim 等利用納米尺寸的金制“鷹架”,制造出懸掛于其上的單層石墨烯薄膜, 發現懸掛的石墨烯薄膜并非“二維扁平結構”, 而是具有“微波狀的單層結構”, 并將石墨烯單層結構的穩定性歸結于其在“納米尺度上的微觀扭曲”。
    參考資料:石墨烯的制備與表征研究 華僑大學材料科學與工程學院 李旭,趙衛峰,陳國華

    物理性質

    Par toens 等研究發現,當石墨層的層數少于10層時,就會表現出較普通三維石墨不同的電子結構。我們將10層以下的石墨材料( Graphene 和Few-layer graphenes) 統稱為石墨烯材料(Graphenes) 。石墨烯(Graphenes) 分解可以變成零維的富勒烯, 卷曲可以形成一維的碳納米管, 疊加可以形成三維的石墨。石墨烯材料的理論比表面積高達2600m2/g, 具有突出的導熱性能( 3000W/(m.K)) 和力學性能(1060GPa), 以及室溫下高速的電子遷移率(15000cm2/(V.s))。石墨烯特殊的結構, 使其具有完美的量子隧道效應、半整數的量子霍爾效應、從不消失的電導率等一系列性質, 引起了科學界巨大興趣, 石墨烯正掀起一股研究的熱潮。自2004年之后,關于石墨烯的研究報道如雨后春筍般涌現,在Science、Nature上相關報道就有400余篇,又一場碳化學的革命正在悄然興起。
    單層石墨烯及其派生物示意圖
    單層石墨烯及其派生物示意圖

    石墨烯的制備

    關于石墨烯的研究最早始于20世紀70年代,Clar等利用化學方法合成一系列具有大共軛體系的化合物,即石墨烯片。此后,Schmidt 等科學家對其方法進行改進,合成了許多含不同邊緣修飾基團的石墨烯衍生物,但這種方法不能得到較大平面結構的石墨烯。
    石墨烯的制備大體可分為物理方法和化學方法。其中,化學方法研究得較早,主要是以苯環或其他芳香體系為核,通過偶聯反應使苯環上6個碳均被取代,然后相鄰取代基之間脫氫形成新的芳香環,如此進行多步反應使芳香體系變大,但該方法不能合成具有較大平面結構的石墨烯;物理方法主要以石墨為原料來合成,不僅原料便宜易得,而且可得到較大平面結構的石墨烯,因而目前關于此方面的研究比較多。

    氧化石墨還原途徑

    石墨是一種憎水性物質,與其相比,氧化石墨( 圖3) 擁有大量的羥基、羧基等基團,是一種親水性物質。其層間距(0.7~1. 2nm)也較石墨的層間距(0.335nm)大。石墨常用的氧化方法主要有3種: Standenmaier法、Brodie法、Hummers法。氧化石墨上C原子屬于sp3雜化,與石墨相比氧化石墨的導電性很差。但相對于石墨,由于氧化石墨層表面含有大量的官能團,因此氧化石墨和改性氧化石墨與許多聚合物基體有較好的相容性。氧化石墨和改性氧化石墨在鋰離子電池負極材料和阻燃復合材料方面的應用引起了廣泛的關注。
    與一些化學物質發生反應,得到改性石墨。而這種氧化石墨的有機改性也可使氧化石墨表面由親水性變為親油性、表面能降低,從而提高與聚合物單體或聚合物之間的相容性。因而增強了氧化石墨和聚合物間的粘接性。氧化石墨經過適當的超聲波震蕩處理極易在水溶液或者有機溶劑中分散成均勻的單層氧化石墨烯溶液,這為人們制備大量單層石墨烯提供了可能。

    微機械力剝離法制備石墨烯

    2004年Geim等用一種極為簡單的方法---微機械剝離法(Micromechanical cleavage) 成功地從高定向熱解石墨上剝離并觀測到單層石墨烯。
    以1mm厚的高取向高溫熱解石墨為原料,在石墨片上用干法氧等離子體刻蝕出一個5Lm深的平臺( 尺寸為20Lm)2mm,大小不等),在平臺的表面涂上一層2Lm厚的新鮮光刻膠,焙固后,平臺面附著在光刻膠層上,從石墨片上剝離下來。用透明光刻膠可重復地從石墨平臺上剝離出石墨薄片,再將留在光刻膠里的石墨薄片在丙酮中釋放出來,將硅片浸泡其中,提出,再用一定量的水和丙酮洗滌。這樣,一些石墨薄片就附著在硅片上。將硅片置于丙酮中,超聲除去較厚的石墨薄片,而薄的石墨薄片(d<10nm) 就被牢固地保留在SiO2表面上(這歸結于它們之間較強的范德華力和毛細管作用力)。
    微機械剝離法是最初用于制備石墨烯的物理方法。這種方法的缺點是: 費時費力,難以精確控制,重復性較差,難以大規模制備。

    石墨烯的表征

    單層石墨烯之所以至今才被人們發現, 是因為表征手段的限制。目前表征石墨烯的有效手段主要有: 原子力顯微鏡、光學顯微鏡、Raman光譜。
    原子力顯微鏡的應用使得觀測到單層石墨烯成為可能。單層石墨烯由于其厚度只有0.335nm, 在掃描電子顯微鏡(SEM) 中很難被觀測到, 只有在原子力顯微鏡(AFM) 中才能清晰的觀測到。原子力顯微鏡是表征石墨烯材料的最直接有效的手段。
    然而基于微機械剝離方法制得的石墨烯, 產量很低, 并且在微量的剝離物中摻雜著很多多層石墨片, 直接用原子力顯微鏡觀測, 效率很低。Geim 等發現單層石墨烯附著在表面覆蓋著一定厚度(300nm) 的SiO2層Si晶片上, 在光學顯微鏡下便可以觀測到。這是由于單層石墨層和襯底對光線產生一定的干涉, 有一定的對比度, 因而在光學顯微鏡下可以分辨出單層石墨烯。
    利用光學顯微鏡觀測石墨烯, 為石墨烯的表征提供了一個快速簡便的手段, 使得石墨烯得到進一步精確表征成為可能。
    原子力和光學顯微鏡觀察石墨烯
    原子力顯微鏡下(a)和光學顯微鏡下(b)觀察到的石墨烯晶體

    石墨烯的應用

    由于石墨烯具有比表面積大、電導率高等優點,因而可以作為電極材料、傳感器、儲氫材料等。
    石墨烯表面的含氧基團可與水及OH-形成氫鍵,晶體外延型的1-2層石墨烯可靈敏地感知表面的離子密度, 從而可以作為很好的pH傳感器。
    石墨烯的表面可吸附氣體分子,而不同的氣體分子可以作為電子給體或受體,從而引起電導率的變化,這與固態氣體傳感器的作用機制相似。
    在儲氫材料方面,合金如LaNi5、TiFe、MgNi等都有儲氫能力。其中,La和Ti合金為低溫(<150e)儲氫材料, 但其儲氫能力低(<2wt%);Mg 合金為高溫儲氫材料,雖然理論儲氫量很高,但它的吸附P解吸動力學不穩定。此外,合金不僅價格昂貴而且比重大, 因而在很大程度上限制了其實際應用。在新型儲氫材料的開發研究中,人們發現碳納米管以及石墨烯等都有很好的儲氫能力,而且這些材料的價格低廉,能夠大幅度降低成本。
    石墨烯有很好的導電性,與有機材料的接觸電阻小(石墨烯P并五苯:0116)0118M8; 銀P并五苯:1156M8;銅P并五苯:118M8),可與有機材料兼容, 因而是很好的電極材料。

    市場前景展望

    隨著人們對石墨烯研究的不斷深入以及制備方法的改進,石墨烯在復合材料、納米器件和儲氫材料等領域得到了廣泛的關注。石墨烯的導電性好,有望代替硅生產超級計算機; 它的質量輕、強度高, 不僅可用來開發出紙片般薄的超輕型飛機材料、超堅韌的防彈衣, 甚至能讓科學家夢寐以求的213萬英里長的太空電梯成為現實。然而,要想使石墨烯材料產品化,真正為人們所用, 必須能夠得到大量結構完整的高質量石墨烯。這就要求提高現有制備工藝的水平。微機械法顯然不能滿足未來工業化的要求。氧化石墨還原法雖然能夠以相對較低的成本制備出大量的石墨烯,使得其在復合材料和防靜電涂料等領域有很大的應用前景,然而石墨烯的電子結構以及晶體的完整性均受到強氧化劑嚴重的破壞,將使其電子性質受到影響,一定程度上限制了其在精密的微電子領域的應用?;瘜W生長法可以制備出大面積連續且性能優異的石墨烯薄膜半導體材料,而且現有的半導體加工技術也可以對石墨烯薄膜材料進行剪裁修飾,使得化學生長法制備出的石墨烯材料在微電子領域有著巨大的應用潛力。然而化學沉積法制備石墨烯的途徑還在進一步探索、完善中,現階段工藝的不成熟以及較高的成本都限制了其大規模應用。如何大量、低成本制備出高質量的石墨烯材料應該是未來研究的一個重點。雖然科學家已經在此方面做了很多努力,但仍無法實現其工業生產,因而,關于石墨烯的合成方法研究仍是一個研究熱點。此外, 科學家們將更多關注如何通過化學的方法對其進行修飾,進一步提高其各方面性能,促進器件化、工業化、商品化的進程。

    石墨烯 上下游產品信息

    上游原料

    下游產品


    石墨烯 生產廠家

    全球有 20家供應商   石墨烯國內生產廠家
    供應商聯系電話傳真電子郵件國家產品數優勢度
    上海碳源匯谷新材料科技有限公司 0086-021-64307535 0086-021-64308976sonaldo0103@163.com中國 6 60
    南京先豐納米材料科技有限公司 15261867733 025-68256996  sale@xfnano.com中國 270 60
    雷丁試劑 18013409632 051085625359sales@reading-chemicals.com;中國 15200 58
    上海卜微應用材料技術有限公司 18930491979 021-64112762  1460837389@qq.com中國 484 58
    上海畢合生物化學技術有限公司 4000-917-966 021-60769177-8022  cici@bihebio.com中國 4468 58
     
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