石墨烯的制備方法

楊吳

摘要：石墨烯由于在性能方面別具一格，最近幾年中于化學(xué)以及材料等領(lǐng)域受到了重點(diǎn)的關(guān)注，同時(shí)，面向石墨烯的獲取方式同樣有了新的突破。本次研究的重點(diǎn)方向就是由物理與化學(xué)兩方面入手，分析石墨烯的制備途徑，同時(shí)簡單論述了其今后前進(jìn)的方向。

關(guān)鍵詞：石墨烯；制備；物理；化學(xué)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.02.206

如今我們的社會持續(xù)進(jìn)步著，大眾的需求不斷多元化，面向材料的挑選也進(jìn)一步精細(xì)。而碳元素屬于含量很高的一類元素，它表現(xiàn)出與眾不同的特性以及變化多端的形態(tài)，并慢慢被研究者所熟知乃至應(yīng)用?；仡櫼酝菏约敖饎偸男螒B(tài)于1924年被發(fā)掘；富勒烯在1985年進(jìn)入了大眾的視野；而1991年碳納米管誕生；到了2004年，石墨烯終于問世了，它是在碳納米管誕生后屬于富勒烯家族的全新納米級材料，其誕生讓材料方面得到了拓展，構(gòu)筑起了對應(yīng)的完整體系結(jié)構(gòu)。由2004到今天為止，涉及到石墨烯的探析新聞突然激增，其逐步朝著物理、材料以及化學(xué)方面的核心話題進(jìn)軍。獲得石墨烯的手段并不唯一，其基本能夠劃分成物理法以及化學(xué)法兩類。

1物理法制備石墨烯

物理方法往往利用便宜的石墨充當(dāng)原材料，加以實(shí)施諸如機(jī)械剝離法、液相直接剝離法的多類手段以獲取單層抑或多層石墨烯。上述的手段具有原材料購買方便，過程較為簡潔，獲得的石墨烯純凈等優(yōu)勢，相對來說沒有明顯的不足。

1.1機(jī)械剝離法

機(jī)械剝離法也可以是微機(jī)械剝離法屬于便捷程度最高的手法，也就是直接由規(guī)模突出的晶體為基礎(chǔ)剝離成片的石墨烯。在2004年，利用更為方便的微機(jī)械剝離法將石墨烯薄片于高定向熱解石墨中轉(zhuǎn)移下來，證實(shí)了單層石墨烯真實(shí)存在。然而這種途徑暴露出相應(yīng)的不足，像是剝離的成品規(guī)格方面存在波動，有時(shí)制備的石墨烯無法達(dá)到尺寸要求，所以無法投入到工業(yè)之中進(jìn)行推廣。

1.2取向附生法一晶膜生長

以PeterW.Sutter為首的研究者通過稀有金屬釕充當(dāng)生長基礎(chǔ)，通過這一金屬的原子結(jié)構(gòu)培育石墨烯。具體就是在1150℃環(huán)境中將碳原子注入釕，進(jìn)而將溫度調(diào)到850℃，進(jìn)入金屬的碳原子紛紛涌向釕的表層，總而得到了附著在這一金屬表層的類似鏡片的單層碳原子，這層薄膜不斷生長，也就得到了整片石墨烯。再首層覆蓋率超過八成后，第二層又生成了。由于底下的石墨烯和原本金屬雙方發(fā)生顯著的作用，所以第二層成熟后將與上一層實(shí)現(xiàn)脫離，僅殘余弱電耦合，如此獲取到成片的石墨烯。這一生長模式帶來的石墨烯通常厚度參差不齊，同時(shí)石墨烯以及金屬雙方一旦出現(xiàn)粘連將不利于石墨烯發(fā)揮性能。

1.3液相和氣相直接剝離法

將石墨烯投放于特定的有機(jī)溶液之內(nèi)，通過超聲波還有升溫抑或氣流的影響獲取某一濃度的石墨烯溶液，這一過程就是液相還有氣相直接剝離法的具體操作。由于用來制備的石墨烯多為便宜的，這一環(huán)節(jié)也并非化學(xué)過程，所以液相還有氣相直接剝離法獲得石墨烯的途徑表現(xiàn)出投入量小、簡單可行、產(chǎn)物品質(zhì)優(yōu)良的優(yōu)勢，然而其在產(chǎn)量上顯著不足，同時(shí)伴隨成團(tuán)嚴(yán)重、必須加以穩(wěn)定劑清除環(huán)節(jié)等不足。

2化學(xué)法制備石墨烯

現(xiàn)下用于實(shí)驗(yàn)室操作的石墨烯大多采取化學(xué)方法獲得，這一手段起初將苯環(huán)還有另外的芳香體系設(shè)置為核，利用多步偶聯(lián)反應(yīng)讓苯環(huán)等有機(jī)結(jié)構(gòu)的6個碳原子都替換成其他原子，持續(xù)這個過程，擴(kuò)充芳香體系的規(guī)模，獲取相對大規(guī)模的平面石墨烯。以此為前提，人們持續(xù)進(jìn)行優(yōu)化，將氧化石墨還原法推向了彰顯出無盡前景的配置石墨烯還有另外原料的手段。同時(shí)，類似的途徑還有化學(xué)氣相沉積法以及晶體外延生長法，其均能夠配置純良的石墨烯。

2.1化學(xué)氣相沉積法

現(xiàn)下配置大規(guī)模優(yōu)良的純凈石墨烯的幾率最高的就是化學(xué)氣相沉積CVD法，其同時(shí)屬于最適合投入大規(guī)模生產(chǎn)的方式。其配置的環(huán)節(jié)包括：把碳?xì)浠衔锛淄?、乙醇添置于?jīng)過升溫的Cu、Ni表面，保持一會再進(jìn)行降溫，冷卻時(shí)金屬表層出現(xiàn)或是很多或者單獨(dú)的石墨烯層，這一環(huán)節(jié)涉及了碳原子于金屬內(nèi)溶解還有滲透成長兩塊內(nèi)容。這一手段對照金屬催化外延生長法相近，它的優(yōu)勢在于能夠于很低的溫度中實(shí)現(xiàn)，進(jìn)而能夠限制配置環(huán)節(jié)內(nèi)的能耗量，同時(shí)石墨烯和金屬能夠利用化學(xué)腐蝕金屬的形式加以劃分，能幫助落實(shí)進(jìn)一步的加工。

2.2外延生長法

外延生長方法涉及碳化硅以及金屬催化外延生長法。碳化硅外延生長法過程為：升溫SiC單晶體，讓它內(nèi)部的Si原子外流，余下碳原子實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換，進(jìn)而獲取以SiC為基底的石墨烯。

金屬催化外延生長法的過程為：以真空為前提，把碳?xì)浠衔锿斗庞诒憩F(xiàn)出催化功效的金屬基底內(nèi)，升高溫度讓吸附氣體作用于化合物獲取石墨烯。氣體于吸附環(huán)節(jié)內(nèi)能夠充斥全體金屬基底，同時(shí)這一環(huán)節(jié)屬于自限環(huán)節(jié)，也就是金屬吸入氣體后不會再次重復(fù)，所以，獲取的石墨烯大部分屬于單層，同時(shí)能夠大規(guī)模獲得規(guī)格平穩(wěn)的石墨烯。

2.3氧化石墨還原法

氧化石墨還原法的過程為：把石墨投放在強(qiáng)氧化性混合酸中內(nèi)部，通常使用的是濃硝酸，再投入諸如高錳酸鉀的強(qiáng)氧化劑獲取氧化石墨水溶膠，加以超聲操作獲取氧化石墨烯，最終以還原的方式獲取石墨。此過程屬于現(xiàn)下應(yīng)用廣泛的石墨烯獲取途徑。詳細(xì)地說也就是現(xiàn)以諸如濃硝酸的強(qiáng)氧化劑完成石墨氧化操作，氧化過程也就是于石墨內(nèi)部結(jié)構(gòu)添置含氧官能團(tuán)，這樣增寬石墨層，經(jīng)過施加超聲波后，獲取或是單層或是多層的石墨烯片。隨后諸如硼氫化鈉的還原劑能夠?qū)⒀趸氖┺D(zhuǎn)換為石墨烯。

其他的獲得石墨烯的手段還涉及碳納米管切割法、離子注入法、還有爆炸法等。

3結(jié)語

伴隨人們面向知識探索腳步的加快，石墨烯的突出性能以及內(nèi)含的優(yōu)點(diǎn)正一步步得到開發(fā)，另外，石墨烯目前于材料、化學(xué)等多種多樣的領(lǐng)域之中得到了廣泛的好評?，F(xiàn)下涉及石墨烯的探究依然基本聚焦在相對基礎(chǔ)的方向，怎樣在工業(yè)應(yīng)用中大規(guī)模批量獲得石墨烯，同時(shí)把握它的培育區(qū)域，進(jìn)而完成石墨烯依照預(yù)計(jì)形狀成長，以上屬于今后探索的關(guān)鍵方向之一。現(xiàn)在要應(yīng)該加強(qiáng)面向現(xiàn)存技藝的優(yōu)化，尋找更便捷可行的配置渠道。