石墨烯電導率及其影響因素研究

王常春，孫 蕾，劉中偉，馬玉曉，李東田

（1.山東恒華新材料有限公司，山東 臨沂 276000；2.臨沂大學材料科學與工程學院，山東 臨沂 276000）

石墨烯作為新型二維材料，是人類已知強度最高、韌性最好、質量最輕、透光率最高、導電性最佳的材料，其優異的理化性質備受全世界的關注，在催化、儲能、微電子器件、功能復合材料、高靈敏傳感器等諸多領域具有非常廣闊的應用前景。自2004年被發現以來，引起了世界各國的高度關注和熱烈追捧。

目前，石墨烯的制備方法主要包括微機械剝離法、外延生長法、化學氣相沉積法、氧化石墨烯化學還原法和溶液剝離法等。本文以石墨粉為原材料，采用低溫擴張法生產石墨烯，主要原理如圖1。

圖1 低溫擴張法生產石墨烯原理

1 實驗部分

1.1 主要原材料

石墨粉（粒徑80目，純度99%，青島天和達石墨有限公司生產）；金屬鈉（工業級，山東默銳科技有限公司生產）；液氨（山東祥龍集團生產）。

1.2 試驗方法

準確稱取46.0g石墨粉及115.5g金屬鈉依序加入插層反應器中，密封后加入200.0g液氨，攪拌反應，每隔十分鐘記錄一次反應壓力及反應溫度；反應結束后（待壓力升至最大值并保持半小時不變），泄壓回收反應尾氣，根據剩余物料重量計算液氨消耗量，補充消耗掉的液氨，繼續反應，反應結束后泄壓回收尾氣，將料放置濕式捕集器中過濾，取過濾粉體，用去離子水清洗至中性，放入260℃烘箱內烘干即得石墨烯。采用ST2722型粉末電阻率測試儀測試石墨烯粉體的電導率。

2 結果與討論

2.1 物料比例對石墨烯電導率的影響

實驗中所用的物料比例如表1所示，其對石墨烯電導率的影響如圖2所示。由圖可見，隨著鈉添加量的增加，石墨烯的電導率逐漸增加。這是因為，隨著鈉添加量的增加，插入石墨層間的插層劑分子增加，在后期膨脹過程中石墨烯剝離剝離效果更好，石墨烯電導率增加。

2.2 插層時間對石墨烯電導率的影響

實驗中所用的插層時間如表2所示，其對石墨烯電導率的影響如圖3所示。由圖3可見，隨著插層時間的增加，石墨烯的電導率一開始緩慢增加，隨后快速增加。這是因為，隨著插層時間的增加，插入石墨層間的插層劑分子增加，在后期膨脹過程中石墨烯剝離剝離效果更好，石墨烯電導率增加。

表1 物料比例對石墨烯電導率的影響

圖2 物料比例對石墨烯電導率的影響

表2 插層時間對石墨烯電導率的影響

圖3 插層時間對石墨烯電導率的影響

2.3 烘干溫度對石墨烯電導率的影響

實驗中所用的烘干溫度如表3所示，其對石墨烯電導率的影響如圖4所示。由圖4可見，在物料比和插層時間一定的條件下，烘干溫度對石墨烯的電導率并沒有非常明顯的影響。在烘干溫度比較低 （105～145℃）和比較高 （285～305℃）的時候，石墨烯的電導率相對較低。烘干溫度165～265℃時石墨烯的電導率比較高。這是因為，烘干溫度過高時，可能會導致部分石墨烯的氧化，進而降低了石墨烯的電導率。

表3 烘干溫度對石墨烯電導率的影響

圖4 烘干溫度對石墨烯電導率的影響

2.4 PH值對石墨烯電導率的影響

實驗中所用電解液的pH值如表4所示，其對石墨烯電導率的影響如圖5所示。由圖5可見，隨著電解液pH值的降低，石墨烯的電導率一開始快速增加。但當電解液的pH值小于8后，石墨烯電導率增加速度變緩。這是因為，隨著電解液pH值的降低，有利于插層劑分子插入石墨層間，在后期膨脹過程中石墨烯剝離剝離效果更好，石墨烯電導率增加。但當電解液的pH值小于8后，石墨層間的插層劑分子增加緩慢，進而影響到石墨烯電導率增速變緩。

表4 PH值對石墨烯電導率的影響

圖5 H值對石墨烯電導率的影響

3 結論

采用低溫擴張法對石墨插層、膨脹、剝離成功制備了石墨烯粉體，測試了石墨烯粉體的電導率，并對其影響因素進行了分析。實驗表明，隨著鈉添加量的增加，石墨烯的電導率逐漸增加。隨著插層時間的增加，石墨烯的電導率一開始緩慢增加，隨后快速增加。隨著電解液pH值的降低，石墨烯的電導率一開始快速增加。但當電解液的pH值小于8后，石墨烯電導率增加速度變緩。