新型碳材料

高健超

[摘要]：石墨烯以其具有极大的比表面积、良好的导电性以及优秀的机械性能等特性，迅速成为材料领域的研究热点。在此简单阐述了石墨烯的力学、光学、电学及热性能，介绍了一些制备方法及部分应用，并对其发展前景作出了展望。

[关键词]：石墨烯；性质；应用

[引言]：石墨烯（Graphene）是2004年被发现的一种神奇的碳纳米材料，有它的名字中有许多最高的理学性质。它是已知宇宙中最薄、强度最大的材料，它的结构是单层碳原子连接形成的二维（2D）蜂窝晶格，厚度为0.3354nm，为sp2杂化，其载流子因此具有很大的迁移率，比铜的电流密度高六个数量级，其电导率可达106S/m。根据制备方式的不同，石墨烯表面存在不同的起伏，通常在垂直方向的高度大约1nm左右，是除金刚石以外所有碳晶体的基本结构单元。因此，石墨烯的研究正以飞速的趋势增长，并达到了一个战略性的阶段。

1、石墨烯独特的性能

石墨的层状结构赋予了其独特的电子和机械性能，而当通过范德华力结合在一起的石墨的各个层被证实是独立的实体后，这些独立的实体即石墨烯则表现出了更优秀的性能。例如石墨烯的电子迁移率在室温下可超过15000 cm2/（V·s）， 当载流子密度低于5×109 cm-2 时， 低温石墨烯的电子迁移率被发现可以接近200000 cm2/（V·s），是硅中电子迁移率的140倍，砷化镓的20倍，它的温度稳定性高，面电阻约为310Ω/m2，比铜和银还要低，是目前室温下导电最好的材料。它具有特殊的杨氏模量，约为42 N/m2，使其成为目前强度最大的材料，抗拉强度和弹性模量分别为 130 GPa 和 1.1TPa，根据其特殊的二维结构，可以进一步推测这种材料表现出的独特的形态性质，例如具有高的比表面积，约为2630m2/g，室温下的传导率可达到5000 W/（m·K），这种材料所具备的优异的性能，也使其具有非常宽广的商业应用前景，包括气体和能量的储存和微电子及光电子领域。

2、石墨烯的制备方法

石墨烯的制备方法主要有微机剥离法、外延生长法、化学气相沉淀CVD法和氧化石墨还原法等，下面将对这四种手段进行简单阐述：

2.1微机械剥离法即是上面提到的用胶带进行重复操作得到单层石墨烯的方法，方法简单，操作方便但其随机性比较高，用这种方法制得的石墨烯面积不是很大而且大小不一，同时这种方法的效率比较低而且成本比较高，在大规模的生产上不是很适用。

2.2而外延生长法通过碳化硅高温退火实现。但SiC单晶的成本昂贵，从而促使研究人员寻找金属作为基板，产生了金属催化外延生长法。

2.3CVD法是在制备高质量、大面积的石墨烯方面较上述两种有很大的优势，在大规模产业生产石墨烯方面有很大的潜力。化学气相沉淀CVD这个方法与用金属催化的外延生长法类似，但是进行这个反应所需要的温度比较低，制备时的能量消耗比较少。

2.4目前制备石墨烯应用最多的方法是氧化石墨还原法，即通过强氧化剂的强氧化性将石墨变成单层石墨烯，最新氧化石墨烯在海水谈话和纯化等方面有新的潜在的应用，南京大学朱嘉教授课题组在PNAS和advanced Materials期刊上将氧化石墨烯用于太阳能蒸发水的进行光热转换的研究。

3、石墨烯的应用

超级电容器

目前商业化的活性炭电极材料超级电容器的比能量远低于镍氢电池和锂离子电池的，这主要还是由于活性炭的比表面积较低，石墨烯和碳纳米管出现以后， 由于其堆积材料潜在的超大比表面积及具有大量的含氧官能团，石墨烯的亲水性优于其他材料，因此目前石墨烯复合材料在超级电容器领域有很大的应用空间。随着柔性电子工业的发展，制备高性能的超级电容器将成为现实，而石墨烯在柔性储能器件的制备领域扮演着非常重要的角色，以石墨烯为基础制备的FEES器件将在便携电子领域得到非常广泛的应用。

锂离子电池中的应用

进入20 世纪，石油危机促使人们寻求新的能源替代品，电池作为新的能源供应物受到了广泛的研究，锂原子质量小，因此锂离子电池具有很高的能量密度。一开始，锂电池的主要负极为金属锂、MnO2等材料，但这些材料不仅会产生短路等电池安全问题，比容量也有限。而石墨烯由于具有良好的导电性及很大的比表面积，是锂离子的理想的结构储存框架，嵌锂容量大，储锂容量高。其制成的复合石墨烯材料经过加工改性更能达到更高的比容量和能量密度，被大量的用于锂离子电池的研究中，相比目前新型的硅基负极材料，其不会产生膨胀效应，具有更好的循环性能，且产物不容易阻塞在石墨烯电极上，因此，石墨烯在锂电池领域具有很大的研究空间。

太阳能电池

目前应用最广泛的是硅系太阳能电池，但硅的成本高，生产工艺复杂，效率也有限。石墨烯和碳纳米管比表面积大，导电率高，机械性能好， 因而被认为是最有潜力的电极替代材料。最近，Jungjin Yoon等研究出了具有优异的抗弯折能力的，以单层石墨烯作为透明电极基底制备柔性钙钛矿的太阳能电池。这种柔性钙钛矿电池具有可折叠和可穿戴供能器件中有广泛的应用前景。

其他应用

由于石墨烯具有极大的比表面积及多孔结构，它们在提高酶的固载量和加速电子传递速率等方面效果显著。石墨烯复合材料可以应用到制备高灵敏度、高稳定的生物酶传感器等领域。而由于其独特的单原子层的二维结构和高比表面积等优异性能，石墨烯薄膜基体上可引入纳米孔或人工设计堆积结构， 进而作为一种高通透性的选择性渗透膜、由于其的多孔结构所具有更高的吸附率，也是一种比较理想的吸附材料，可以用作选择性分离膜和吸附剂，其复合材料在水处理领域也会得到更加广泛的应用。

4、结论

石墨烯的实验室研究已取得了巨大进展，制备方法也在不断改进。同时，石墨烯的应用研究也备受关注，其在各个领域也已经展示出了重大的科学意义和应用价值，研究也从生物医药、电子器件和传感器等方面逐渐横向扩展到了更加多元的研究领域。例如，近日莱斯大学研究人员开发出了一种新型碳基催化剂材料——N掺杂石墨烯量子点。石墨烯量子点可以为二氧化碳的循环利用提供一种简单的方法，通过这种方法，二氧化碳可以转化为烃类化合物如乙烯、乙醇等，可以不用排进大气或填埋等造成环境污染的方法。这为解决温室效应提供了很好的途径。相信随着研究的不断深入，石墨烯及由其参与组成的复合材料将会展现出更大的应用空间。

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