新型碳材料

高健超

[摘要]：石墨烯以其具有極大的比表面積、良好的導電性以及優秀的機械性能等特性，迅速成為材料領域的研究熱點。在此簡單闡述了石墨烯的力學、光學、電學及熱性能，介紹了一些制備方法及部分應用，并對其發展前景作出了展望。

[關鍵詞]：石墨烯；性質；應用

[引言]：石墨烯（Graphene）是2004年被發現的一種神奇的碳納米材料，有它的名字中有許多最高的理學性質。它是已知宇宙中最薄、強度最大的材料，它的結構是單層碳原子連接形成的二維（2D）蜂窩晶格，厚度為0.3354nm，為sp2雜化，其載流子因此具有很大的遷移率，比銅的電流密度高六個數量級，其電導率可達106S/m。根據制備方式的不同，石墨烯表面存在不同的起伏，通常在垂直方向的高度大約1nm左右，是除金剛石以外所有碳晶體的基本結構單元。因此，石墨烯的研究正以飛速的趨勢增長，并達到了一個戰略性的階段。

1、石墨烯獨特的性能

石墨的層狀結構賦予了其獨特的電子和機械性能，而當通過范德華力結合在一起的石墨的各個層被證實是獨立的實體后，這些獨立的實體即石墨烯則表現出了更優秀的性能。例如石墨烯的電子遷移率在室溫下可超過15000 cm2/（V·s）， 當載流子密度低于5×109 cm-2 時， 低溫石墨烯的電子遷移率被發現可以接近200000 cm2/（V·s），是硅中電子遷移率的140倍，砷化鎵的20倍，它的溫度穩定性高，面電阻約為310Ω/m2，比銅和銀還要低，是目前室溫下導電最好的材料。它具有特殊的楊氏模量，約為42 N/m2，使其成為目前強度最大的材料，抗拉強度和彈性模量分別為 130 GPa 和 1.1TPa，根據其特殊的二維結構，可以進一步推測這種材料表現出的獨特的形態性質，例如具有高的比表面積，約為2630m2/g，室溫下的傳導率可達到5000 W/（m·K），這種材料所具備的優異的性能，也使其具有非常寬廣的商業應用前景，包括氣體和能量的儲存和微電子及光電子領域。

2、石墨烯的制備方法

石墨烯的制備方法主要有微機剝離法、外延生長法、化學氣相沉淀CVD法和氧化石墨還原法等，下面將對這四種手段進行簡單闡述：

2.1微機械剝離法即是上面提到的用膠帶進行重復操作得到單層石墨烯的方法，方法簡單，操作方便但其隨機性比較高，用這種方法制得的石墨烯面積不是很大而且大小不一，同時這種方法的效率比較低而且成本比較高，在大規模的生產上不是很適用。

2.2而外延生長法通過碳化硅高溫退火實現。但SiC單晶的成本昂貴，從而促使研究人員尋找金屬作為基板，產生了金屬催化外延生長法。

2.3CVD法是在制備高質量、大面積的石墨烯方面較上述兩種有很大的優勢，在大規模產業生產石墨烯方面有很大的潛力。化學氣相沉淀CVD這個方法與用金屬催化的外延生長法類似，但是進行這個反應所需要的溫度比較低，制備時的能量消耗比較少。

2.4目前制備石墨烯應用最多的方法是氧化石墨還原法，即通過強氧化劑的強氧化性將石墨變成單層石墨烯，最新氧化石墨烯在海水談話和純化等方面有新的潛在的應用，南京大學朱嘉教授課題組在PNAS和advanced Materials期刊上將氧化石墨烯用于太陽能蒸發水的進行光熱轉換的研究。

3、石墨烯的應用

超級電容器

目前商業化的活性炭電極材料超級電容器的比能量遠低于鎳氫電池和鋰離子電池的，這主要還是由于活性炭的比表面積較低，石墨烯和碳納米管出現以后， 由于其堆積材料潛在的超大比表面積及具有大量的含氧官能團，石墨烯的親水性優于其他材料，因此目前石墨烯復合材料在超級電容器領域有很大的應用空間。隨著柔性電子工業的發展，制備高性能的超級電容器將成為現實，而石墨烯在柔性儲能器件的制備領域扮演著非常重要的角色，以石墨烯為基礎制備的FEES器件將在便攜電子領域得到非常廣泛的應用。

鋰離子電池中的應用

進入20 世紀，石油危機促使人們尋求新的能源替代品，電池作為新的能源供應物受到了廣泛的研究，鋰原子質量小，因此鋰離子電池具有很高的能量密度。一開始，鋰電池的主要負極為金屬鋰、MnO2等材料，但這些材料不僅會產生短路等電池安全問題，比容量也有限。而石墨烯由于具有良好的導電性及很大的比表面積，是鋰離子的理想的結構儲存框架，嵌鋰容量大，儲鋰容量高。其制成的復合石墨烯材料經過加工改性更能達到更高的比容量和能量密度，被大量的用于鋰離子電池的研究中，相比目前新型的硅基負極材料，其不會產生膨脹效應，具有更好的循環性能，且產物不容易阻塞在石墨烯電極上，因此，石墨烯在鋰電池領域具有很大的研究空間。

太陽能電池

目前應用最廣泛的是硅系太陽能電池，但硅的成本高，生產工藝復雜，效率也有限。石墨烯和碳納米管比表面積大，導電率高，機械性能好， 因而被認為是最有潛力的電極替代材料。最近，Jungjin Yoon等研究出了具有優異的抗彎折能力的，以單層石墨烯作為透明電極基底制備柔性鈣鈦礦的太陽能電池。這種柔性鈣鈦礦電池具有可折疊和可穿戴供能器件中有廣泛的應用前景。

其他應用

由于石墨烯具有極大的比表面積及多孔結構，它們在提高酶的固載量和加速電子傳遞速率等方面效果顯著。石墨烯復合材料可以應用到制備高靈敏度、高穩定的生物酶傳感器等領域。而由于其獨特的單原子層的二維結構和高比表面積等優異性能，石墨烯薄膜基體上可引入納米孔或人工設計堆積結構， 進而作為一種高通透性的選擇性滲透膜、由于其的多孔結構所具有更高的吸附率，也是一種比較理想的吸附材料，可以用作選擇性分離膜和吸附劑，其復合材料在水處理領域也會得到更加廣泛的應用。

4、結論

石墨烯的實驗室研究已取得了巨大進展，制備方法也在不斷改進。同時，石墨烯的應用研究也備受關注，其在各個領域也已經展示出了重大的科學意義和應用價值，研究也從生物醫藥、電子器件和傳感器等方面逐漸橫向擴展到了更加多元的研究領域。例如，近日萊斯大學研究人員開發出了一種新型碳基催化劑材料——N摻雜石墨烯量子點。石墨烯量子點可以為二氧化碳的循環利用提供一種簡單的方法，通過這種方法，二氧化碳可以轉化為烴類化合物如乙烯、乙醇等，可以不用排進大氣或填埋等造成環境污染的方法。這為解決溫室效應提供了很好的途徑。相信隨著研究的不斷深入，石墨烯及由其參與組成的復合材料將會展現出更大的應用空間。

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