石墨烯

石墨烯材料研究进展及应用综述 摘要 石墨烯是最近发现的一种具有二维平面结构的碳纳米材料，它的特殊单原子层结构使其具有许多独特的物理化学性质。有关石墨烯的基础和应用研究已成为当前的前沿和热点课题之一。本文综述并评价了近年来石墨烯的一些应用领域(如锂离子电池、透明导电薄膜、太阳能电池等领域)的应用，并展望了其未来的发展。 关键词：石墨烯；石墨烯研究进展；石墨烯的发展方向 1.石墨烯的概念 石墨烯(Graphene)是英国曼彻斯特大学Geim课题组于2004年发现的单原子层石墨晶体薄膜[1]，是由sp2杂化的碳原子构成的二维蜂窝状物质，是构建其它维数碳材料的基本单元(见图1)[2]，其C-C键长约为0.142nm。。由于它具有独特的二维碳纳米结构以及优异的物理属性，使得其在物理学、材料科学以及凝聚态物理等领域引起了人们的广泛兴趣。同时由于它们具有无毒、化学和热学性能优异、导电率大、机械强度大的特性，使得以石墨烯为基础的材料有着广泛的工业应用范围，如可用作吸附剂、催化剂载体、热传输媒体，可制成具有精细结构的电子元件，应用于电池/电容器．即使在生物技术方面也可得到应用。特别地，随着碳材料性能的不断改进，使得其逐渐成为能源领域的主导，如在对存储设备要求高的氢储存、燃料电池、太阳能电池以及锂离子电池、电容器等方面应用广泛[3]。 3.石墨烯的应用 石墨烯具有奇异的电子效应(如霍尔效应、二维(2D)Di-rac-femi效应等)，目前已引起了科学界的广泛兴趣，有着广泛的潜在应用领域，如复合材料[4]、透明导电薄膜[5]锂离子电池、超级电容器、有机光伏电池、电子场发射器、场效应晶体管和超敏感传感器[6]等。    3.1锂电 石墨烯纳米板结构是新兴的纳米材料，二维层只有原子厚度并有着强大的碳键网络结构，在各种应用中吸引了人们很大的兴趣。与石墨碳相比，这些材料具有较高的电导率、高比面积(超过2600m2/g)、化学性能好，同时有着超宽的电化学窗口，将在能源技术应用中占据非常有利的地位。同时石墨烯存在无序性和缺陷，在锂离子电池中有很广阔的可逆容量(794～1054mA·h/g)以及良好的循环性能，因此，它在锂离子电池方面有着很广阔的应用前景[7]。 3.2光电 除了显示出作为超级电容器、锂离子电池和燃料电池电极材料的巨大潜力外，石墨烯在太阳能电池应用方面也展现出独特的优势．铟锡氧化物(ITO)由于其高的电导率和光透射率已被广泛用作太阳能电池的电极材料，但由于铟资源稀缺，人们急需要寻找一些替代品来代替ITO。 石墨烯具有良好的透光性和导电性，很有潜力成为ITO的替代材料。利用石墨烯制作透明的导电膜并将其应用于太阳电池中也成为人们研究的热点．Liu[8]等人首次利用功能化的石墨烯作为光电子器件的电子受体材料，当聚(3-辛基噻吩)(P3OT)和聚(3-己基噻吩)(P3HT)作为给体材料时，石墨烯和P30T/P3HT的相互作用可以使该复合物很好地作为太阳能电池电极的活性层(图2)，该有机太阳能电池的开路电流密度为4.0 mA·cm-2，开路电压为0．72 V，光转化率达到1.1%。Li等[9]对石墨采用剥离-嵌入-膨胀的方法，成功制备了高质量的石墨烯，其电阻为通过以氧化石墨为原料制备的石墨烯的l%，并以DMF为溶剂，成功制备了LB膜，这种透明导电膜也成为应用于太阳能电池的潜在材料[10]。 图 2墨烯用于太阳能电池电极活性层示意图 3.3催化剂 金属纳米粒子分散在石墨烯中，可以提供新的催化、磁和光电特性。实验表明，将含有Pt的金属盐与石墨烯粉末混合，在一定试验条件下出现了Pt集群。这种小Pt集群的出现表明，在GNS和Pt之间存在较强的相互作用，而这种作用可能会诱导Pt集群在电子结构等方面的改变。Okamoto等[11]以密度泛函计算为基础，在GNS中引入C空位，提高了GNS和Pt集群之间的相互作用，同时证明了金属集群在含有C空位石墨烯中的稳定性比无缺陷石墨烯的更好。这种GNS有望成为一种可作为提高燃料电池中铂的催化性能的催化剂的新型碳材料[12]。 3.4在合成纳米材料方面的应用 目前合成纳米粒子的方法多种多样，可以合成纳米线、纳米管、纳米颗粒、纳米环等各种形貌和结构的材料[13]，但在材料合成过程中很难控制材料的排布，制备出来的纳米材料杂乱无章，有时会影响材料性能的发挥。石墨烯氧化物(Go)是一个在顶都和底部有着丰富的羟基和环氧基官能团的超薄两维结构，同时周围还包围着羧基。石墨烯氧化物薄片通过氢键和离子偶极相互作用，可以吸附到纳米线表面，改变其表面属性[14]。 4.研究现状 我国的研究人员也正在石墨烯领域开展积极的探索。中科院物理研究所王恩哥等采用剥离一再嵌入一扩涨的方法成功地制备了高质量石墨烯[15]。利用透射电子显微术对石墨烯进行表征并进行了深入的晶体结构。电学测量表明，所制备的石墨烯在室温和低温下都具有高的电导，比通常用还原氧化石墨方法获得的石墨烯的电导高2个数量级。他们通过LB膜组装技术，将悬浮在溶剂里的石墨烯一层一层地转移到固体表面，制成大面积的透明导电膜，并研究它们的光学透过率与膜厚的关系。高质量石墨烯及其LB膜的制备对未来石墨烯的大规模应用具有重要意义。中国科学院化学所的研究人员探索了一种制备图案化石墨烯的方法，以图案化的金属层作为催化剂制备了图案化的石墨烯，并成功地将其应用于有机场效应晶体管电极[16]。研究结果表明，石墨烯是一种性能优异的有机场效应晶体管电极材料。低的载流子注入势垒和良好的电极半导体接触是器件具有高性能的主要原因。这一研究进展为有机场效应晶体管和石墨烯的发展奠定了良好的基础。中科院数学与系统科学研究院明平兵研究员及合作者刘芳、李巨的计算结果表明[17]，预测石墨烯的理想强度为110～121GPa，这意味着石墨烯是目前人类已知的最为牢固的材料[18]。 5.展望 石墨烯的导电性好，有望替代硅生产超级计算机；它的质量轻，强度高，不仅可用来开发出纸片般薄的超轻型飞机材料，超坚韧的防弹衣，甚至能让科学家梦寐以求的2.3万英里长的太空电梯成为现实[19]。然而，要想使石墨烯材料产品化，真正为人们所用，必须能够得到大面积，高质量的石墨烯。虽然科学家已经在此方面做了很多努力，但仍无法实现其工业生产，因而，关于石墨烯的合成方法研究仍是一个研究热点。此外，科学家将更多关注如何通过化学的方法对其进行修饰，进一步提高其各方面性能，促进器件化、工业化、商品化的进程[20]。 参考文献 【1】Novoselov K S，et aL Electric field effect in atomically thincarbon films [J]．Science，2004，306:666 【2】Geim A K，Novoselov K S The rise of grapheme[J]．Nature Mater，2007，6： 183 【3】王耀玲，罗 雨，陈立宝，李秋红，王太宏.石墨烯材料的研究进展[J].材料导报，2010，24（15):85-88 【4】Ramanathan T，Abdala A A，Stankovich S，et a1．Functionalized graphene sheets forpolymer nanocomposites[J]．Nature Nanotechn，2008，3：327 【5】Wang X，ZhiL J，MullenK．Transparent，conductive graphene electrodes for dye-sensitized solar cells[J]．NanoLett，2008，8：323 【6】Schedin F，Geim A K，Morozov S V，et a1．Detection of individual gasmolecules adsorbed on graphene[J]．Nature Mater，2007，6：652 【7】李绍娟，甘 胜，沐浩然，徐庆阳，乔 虹，李鹏飞，薛运周，鲍桥梁.石墨烯光电子器件的应用研究进展[J].新型碳材料，2014，29(5):330-356 【8】Liu，Q．：Liu．Z．F．：Zhang。X．Y．；Zhang．N．；Yang。L．Y．：Yin，S．G．；Chen，Y．S．Appl．Physfm，2008，92(22)：223303 【9】Li。X L．：Zhang，G．Y．：Bai，X．D．；Sun，X M．；Wang，X．IL； Wang，E．G．；Daa，H．J．Nat．Nanotechn01．。2008，3：538 【10】胡耀娟，金娟，张卉，吴萍，蔡称心.石墨烯的制备、功能化及在化学中的应用[J].物理化学学报，2010，26(8):2073-2086 【11】Okamoto Y．Density-functional calculations of icosahedralM13(M)Pt and Au)clusters on graphene sheets and flakes[J]．Chem Phys Lett，2006。420：382 【12】顾正，季根华，卢明辉.二维碳材料—石墨烯的研究进展(J).南京工业大学学报，2010，32(3):106-108 【13】周俊文，马文石.石墨烯及其纳米复合材料的研究[J].化工新型材料，2010，38（3）：26-28 【14】海鑫，张振华，刘新海，等．石墨烯纳米带电子结构的紧束缚法研究[J]．物理学报，2009，58(10)：7156-7160． 【15】Li X。et aL.Highly conducting graphene sheets and Lang-muir-Blodgett films[J]．Nature Nanotechn，2008，3：538 【16】杨永岗。陈成猛，温月芳。杨全红。王茂章．新型炭材料，2008，23(3)：1931 【17】晓珍．基于石墨烯／硅异质结高性能光伏器件的研究[D]．苏州：苏州大学，2013 【18】代波，邵晓萍，马拥军，裴重华.新型碳材料——石墨烯的研究进展[J].材料导报，2010，24(2):17-21. 【19】吕生华，刘晶晶，崔亚亚，等．石墨烯的功能化研究进展[J].化工时刊，2013，27(8)：35—40． 【20】谈述战，王梦媚，葛传良，刘毅，王德禧.石墨烯产业化制备技术及其应用研究进展[J].工程塑料应用，2013，41(8):120-124