石墨烯的制備方法及應用研究

吳燕 周立偉

摘 要：石墨烯是一種由碳原子以sp?雜化軌道組成六角型呈蜂巢晶格的二維碳納米材料，是目前已知的最薄也是最堅硬的納米材料，具有超薄、超穩定、超導性、超高強度等優異特性。本文介紹了石墨烯的幾種制備方法及其特點，并闡述了石墨烯在電子器件、紡織、電池、電梯等領域的應用情況。

關鍵詞：石墨烯；制備特點；發展應用

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.13.009

1 引言

石墨烯是一種由碳原子構成的單層片狀結構的新型碳材料，是目前已知的最薄的也是最堅硬的納米材料，具有結構穩定、超薄、超強導電性、超高強度、優異的韌度等多種優異性能，被譽為“黑金”、“新材料之王”，廣泛應用在電子信息、生物醫學、航天航空、油墨噴涂、紡織、儲能等諸多領域。自從石墨烯問世以來，全球就掀起了研究和開發石墨烯的熱潮，但石墨烯產業化還有待進一步研究，各國都在尋求石墨烯產業的途徑，因此石墨烯成為我國企業創新，迅速發展的新增長點。

2 石墨烯的制備

石墨烯的制備方法多種多樣，但是由于技術的限制，大部分廠家不能生產出大面積高質量的石墨烯制品。下面介紹幾種石墨烯的制備方法。

（1）機械剝離法。機械剝離就是用機械方法得到單層石墨烯，即利用膠帶剝離高定向熱解石墨將石墨烯片粘附在膠帶上，經過系列的操作，制得石墨烯薄片。這種方法制取的石墨烯雖然成本較低，但不均勻，產量低，清潔度不高，因此也限制了他的應用，不能進行工業化生產。

（2）氧化還原法。氧化還原法是工業生產中最普遍的一種制備方法，它是將機械力剝離法的固態剝離這種想法用于在液態的環境中進行。這種方法制備的石墨烯是粉末狀態，缺陷大，但可進行大規模生產，并且可與別的物質復合或改性。這種方法具有較高的成本，循環周期短，但產率卻較高，因此被廣泛用于石墨烯復合材料的制備中。

（3）氣相沉積法。氣相沉積法是通過化學反應的方式，使反應物在氣態環境下形成固態沉積物的一項技術。就是在先將加熱升溫后的固體無機材料凝聚在襯底上再降溫就會生成石墨烯。用這種方法制備石墨烯主要受前驅體，環境條件（溫度、時間、壓強）、襯底這三個因素影響。這種方法限制少，簡單可行，但制備過程中伴有雜質生成，能耗及成本高，且需要嚴格的反應條件和環境因素，目前不能大規模的應用于工業生產。

（4）電弧放電法。電弧法是以惰性氣體為緩沖物，使石墨電極放電，石墨蒸發為碳原子而制得到石墨烯。這種方法不使用金屬催化劑，是制備石墨烯的一項重大突破。利用這種方法制得的石墨烯缺陷較少，但耗電能大，純度低，尺寸小，很難進行產業化制備。

3 石墨烯的應用領域

（1）電子器件領域。在當今電子時代，光電子學器件如顯示屏，觸控面板，發光二極管等要求材料具有較低的面電阻和較高的透射率。目前使用的半導體材料摻雜了氧化銦，氧化鋅或者他們的化合物，這些導致了產量低、易碎、化學性質不穩定等問題的出現。同時石墨烯獨特的二維晶體結構，碳原子間以σ鍵連接及未成鍵的電子形成大π鍵，這賦予了石墨烯優異的力學性能、導電性和導熱性。

這些優異性能使石墨烯在電子器件領域具有廣闊的應用前景，廣泛應用于太陽能電池、有機發光二極管、激光器、光調制器、光探測器等電子器件領域。

（2）紡織領域。石墨烯片層的納米粒子結構，不存高聚物的分子鏈，無法直接制備石墨烯纖維。將石墨烯納米粒子引入到聚合物纖維基體中，經過化學反應制成一種新型復合纖維。目前開發了石墨烯/玉米芯纖維、石墨烯/粘膠、石墨烯/功能化海藻等多種復合纖維。石墨烯的引入，改善聚合物纖維的強度、耐熱、耐曬、抗靜電等諸多性能，提高纖維的整體性能。石墨烯復合纖維通過融合、浸潤、沉積、改性、涂覆等方法進行改性，開發了新型功能性紡織品如抗菌純棉織物、石墨烯阻燃織物等。

石墨烯與紡織品有效結合，即保持了紡織品的基本性能，又具有石墨烯的獨特性能。

（3）電池領域。理想狀態的石墨烯是真正的表面性固體，其所有碳原子都暴露在表面，具有大的比表面積、優良的導電和導熱性的獨特優勢，保證了良好的電子傳輸通道和穩定性，降低了電池極化和能量損失。石墨烯直接作為鋰離子電池負極制得的電池器件性能不穩定，如短路、大電流充放電時候，容易導致電池性能下降，存在爆炸的危險等情況。

石墨烯和其他材料進行復合制作成石墨烯復合負極材料是現在鋰電池研究的方向和熱點，也是今后的發展趨勢。由于石墨烯對于電池性能有諸多提升作用，必將拉動石墨烯在電池領域的發展，促進分享新能源汽車行業的增長。

（4）太空電梯。早在1970年，科學家就提出制造“太空電梯”的概念。各國都一直在研究電梯電纜的材料，未能找到，但石墨烯的發現改變了這一現狀。石墨烯的特定結構決定了它是目前導電性最優的材料。利用石墨烯和碳納米管制成的纜帶，具有較高的穩定性和可靠性，用它制成的電纜導電性和強度都要遠遠高于鋁纜、銅纜。太空電梯的運行離不開供電裝置，而石墨烯電池能保證源源不斷的電力；雖然存在一定的技術瓶頸但相信隨著科技發展，因為石墨烯的出現，也許不久太空電梯就能成為現實。

4 結語

近年來，石墨烯因自身的優異性被業界廣泛關注。石墨烯的制備依然有很多問題需要解決，但隨著現代科技發展和石墨烯制備、合成和改性技術的不斷進步，這些問題將迎刃而解，將實現石墨烯在航空航天、電子信息、醫療衛生、紡織等眾多領域的應用。

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