石墨烯的制備方法及應(yīng)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(wěn)定、超導(dǎo)性、超高強(qiáng)度等優(yōu)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(lǐng)域的應(yīng)用情況。

關(guān)鍵詞：石墨烯；制備特點；發(fā)展應(yīng)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(gòu)成的單層片狀結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)穩(wěn)定、超薄、超強(qiáng)導(dǎo)電性、超高強(qiáng)度、優(yōu)異的韌度等多種優(yōu)異性能，被譽(yù)為“黑金”、“新材料之王”，廣泛應(yīng)用在電子信息、生物醫(yī)學(xué)、航天航空、油墨噴涂、紡織、儲能等諸多領(lǐng)域。自從石墨烯問世以來，全球就掀起了研究和開發(fā)石墨烯的熱潮，但石墨烯產(chǎn)業(yè)化還有待進(jìn)一步研究，各國都在尋求石墨烯產(chǎn)業(yè)的途徑，因此石墨烯成為我國企業(yè)創(chuàng)新，迅速發(fā)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(shù)的限制，大部分廠家不能生產(chǎn)出大面積高質(zhì)量的石墨烯制品。下面介紹幾種石墨烯的制備方法。

（1）機(jī)械剝離法。機(jī)械剝離就是用機(jī)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(jīng)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(chǎn)量低，清潔度不高，因此也限制了他的應(yīng)用，不能進(jìn)行工業(yè)化生產(chǎn)。

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

（3）氣相沉積法。氣相沉積法是通過化學(xué)反應(yīng)的方式，使反應(yīng)物在氣態(tài)環(huán)境下形成固態(tài)沉積物的一項技術(shù)。就是在先將加熱升溫后的固體無機(jī)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(qū)體，環(huán)境條件（溫度、時間、壓強(qiáng)）、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(zhì)生成，能耗及成本高，且需要嚴(yán)格的反應(yīng)條件和環(huán)境因素，目前不能大規(guī)模的應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)。

（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(fā)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(jìn)行產(chǎn)業(yè)化制備。

3 石墨烯的應(yīng)用領(lǐng)域

（1）電子器件領(lǐng)域。在當(dāng)今電子時代，光電子學(xué)器件如顯示屏，觸控面板，發(fā)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(dǎo)體材料摻雜了氧化銦，氧化鋅或者他們的化合物，這些導(dǎo)致了產(chǎn)量低、易碎、化學(xué)性質(zhì)不穩(wěn)定等問題的出現(xiàn)。同時石墨烯獨特的二維晶體結(jié)構(gòu)，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(yōu)異的力學(xué)性能、導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性。

這些優(yōu)異性能使石墨烯在電子器件領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，廣泛應(yīng)用于太陽能電池、有機(jī)發(fā)光二極管、激光器、光調(diào)制器、光探測器等電子器件領(lǐng)域。

（2）紡織領(lǐng)域。石墨烯片層的納米粒子結(jié)構(gòu)，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(jīng)過化學(xué)反應(yīng)制成一種新型復(fù)合纖維。目前開發(fā)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(fù)合纖維。石墨烯的引入，改善聚合物纖維的強(qiáng)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(fù)合纖維通過融合、浸潤、沉積、改性、涂覆等方法進(jìn)行改性，開發(fā)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(jié)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(lǐng)域。理想狀態(tài)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(yōu)良的導(dǎo)電和導(dǎo)熱性的獨特優(yōu)勢，保證了良好的電子傳輸通道和穩(wěn)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(fù)極制得的電池器件性能不穩(wěn)定，如短路、大電流充放電時候，容易導(dǎo)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(jìn)行復(fù)合制作成石墨烯復(fù)合負(fù)極材料是現(xiàn)在鋰電池研究的方向和熱點，也是今后的發(fā)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(lǐng)域的發(fā)展，促進(jìn)分享新能源汽車行業(yè)的增長。

（4）太空電梯。早在1970年，科學(xué)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(fā)現(xiàn)改變了這一現(xiàn)狀。石墨烯的特定結(jié)構(gòu)決定了它是目前導(dǎo)電性最優(yōu)的材料。利用石墨烯和碳納米管制成的纜帶，具有較高的穩(wěn)定性和可靠性，用它制成的電纜導(dǎo)電性和強(qiáng)度都要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于鋁纜、銅纜。太空電梯的運(yùn)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(shù)瓶頸但相信隨著科技發(fā)展，因為石墨烯的出現(xiàn)，也許不久太空電梯就能成為現(xiàn)實。

4 結(jié)語

近年來，石墨烯因自身的優(yōu)異性被業(yè)界廣泛關(guān)注。石墨烯的制備依然有很多問題需要解決，但隨著現(xiàn)代科技發(fā)展和石墨烯制備、合成和改性技術(shù)的不斷進(jìn)步，這些問題將迎刃而解，將實現(xiàn)石墨烯在航空航天、電子信息、醫(yī)療衛(wèi)生、紡織等眾多領(lǐng)域的應(yīng)用。

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