石墨烯的研究
材料化学课程论文
石墨烯的研究
——材料化学课程论文
石墨烯是碳原子紧密堆积成单层二维蜂窝状晶格结构的碳质材料，它可看作是构建其它维数碳质材料( 如零维富勒烯、一维纳米碳管、三维石墨) 的基本单元( Scheme 1) 。石墨烯具有许多奇特而优异的性能: 如杨氏模量( 约1100 GPa) 、热导率( 约5000 J /( m·K·s) ) 、载流子迁移率( 2 × 105 cm2 /( V·s) )以及比表面积( 理论计算值2630 m2 /g) 等均比较高，还具有分数量子霍尔效应、量子霍尔铁磁性和激子带隙等现象。这些优异的性能和独特的纳米结构，使石墨烯成为近年来广泛关注的焦点。最近, 在低填料性质上石墨烯一个惊人的进步使得石墨烯同时招致学界和业界的关注。不同的有机聚合物已被用来制作石墨烯填充聚合物基纳米复合材料。基于石墨烯的纳米复合材料在能量储存、液晶器件、电子器件、生物材料、传感材料和催化剂载体等领域展现出许多优良性能，具有广阔的应用前景。本文将阐述石墨烯材料化学的最新研究进展，主要包括石墨烯的化学制备、表面修饰及基于石墨烯的复合材料。在基于石墨烯的纳米复合材料方面，着重介绍了石墨烯与有机高聚物、无机纳米粒子以及其它碳基材料的复合物，同时展望了这些材料在相关领域中的应用前景
1.引论
在过去的20年里，纳米科技已经在各个领域兴起,在微型化领域纳米科技的重要性逐年增加，如计算机、传感器、生物医学和许多其他方面的应用。这些学科的发展,在高密度工艺制造的能力在很大程度上取决于合成纳米粒子的各种材料、尺寸、形状,以及他们有效地组装成一个复杂的体系结构的实现。目前,纳米材料具有巨大的应用范围是由他们的结构特点。然而,材料科学家正在研究材料的理化性质,用改进后的支线更合适,在这一领域的奈米科学和技术。在这方面,石墨烯的发现和石墨烯基聚合物纳米复合材料是对于纳米科技领域的一种重要的补充, 在现代科学技术上，扮演一个关键作用。
聚合物基纳米复合材料的发现已开辟了一个新的维度,在这一领域的材料科学。特别需要指出的是,使用无机纳米材料作为填料在制备聚合物/无机复合材料日益受到人
们的欢迎。由于他们令人感兴趣的独特性能和众多的在汽车、航空航天、建筑、电子等行业潜在应用。迄今为止,大部分的研究主要集中在基于层状材料的聚合物纳米复合材料的一种自然来源,如蒙脱石型层状硅酸盐化合物或合成的粘土层状双氢氧化物。可是,电性和导热性粘土矿物是很贫乏的。为了克服这些缺点,碳纳米级填料、炭黑等,例如,壳聚糖,并CNF已经被介绍到聚合物基纳米复合材料的制备。在这些之中,碳纳米管已经被证明是非常有效的作为导电填料。碳纳米管的唯一缺点是他们作为填料时，更高的生产成本。因此,大规模生产功能性的复合材料CNT的基础是很困难的。当尼古拉斯在Nature上的评论中写道:“当碳纤维不能继续使用了,但是纳米碳有太贵了,纳米材料科学家去哪里可以去找那一种实用的导电复合吗?答案可能取决于石墨烯薄膜”。 石墨烯被看做是一个单碳原子厚度的纸型面二维纳米级填充物,平面单碳原子是sp2杂化密集排列在一个蜂窝状晶格。人们把它看成是“世界上最薄的材料”，拥有巨大的应用潜能。石墨烯预测具有卓越的性质,如高导热系数、优越的力学性能和优良的电子输运性质。这些内在性质产生了极大兴趣的石墨烯因它可能实施在无数的装置。这包括未来世代的高速和射频逻辑器件,热纳米复合材料和电增强,超薄的碳薄膜,电子电路,传感器和透明的和灵敏的电极作展示之用,太阳能电池。作为一种纳米级填料,石墨烯可能好于另一些传统的nanofillers LDH、壳聚糖(例如Na-MMT CNF 等等) 由于高比表面积、长宽比、抗拉强度(TS),导热性和导电性,EMI屏蔽能力,灵敏性、透明性。表1给出了一个的机械性能、热性能、电气性能的石墨烯与壳聚糖、钢铁、塑料、橡胶、纤维等的比较图。石墨烯的抗拉强度相似或略高于碳纳米管,但远远高于钢铁、合成纤维、高密度聚乙烯(HDPE)和天然橡胶。导热系数高于所有其他材料。石墨烯的电导率也要高于除钢之外其它的材料
石墨烯与聚合物相比的优越性能也反映在高分子聚合物/石墨烯纳米复合材料。聚合物/石墨烯纳米复合材料与纯净的聚合物相比在机械、温度、气体屏障、电气性能和阻燃性等方面表现出优越的性能。据了解,此次提高机械和电气性能的聚合物纳米复合材料是基于石墨烯相比于黏土或其他碳填料基聚合物纳米复合材料更好的性能。尽管碳
纳米管力学性能足以于石墨烯相媲美,但是在某些方面石墨烯壳聚糖是一种更好的纳米填料。比如，热性能和电导率(表1)。然而,提高复合材料的物理化学特性取决于石墨烯层的分布以及聚合物基体的界面（石墨烯层和基体树脂）结合。石墨烯界面结合和主机聚合物决定了石墨烯增强聚合物纳米复合材料的最终性能。原始的石墨烯是不兼容的有机聚合物并且不会形成均匀的复合材料。相比之下,石墨烯氧化物平面是被严重氧化物石墨烯(轴承羟基、环氧、二元醇、酮和羧基官能团),可以改变范德华相互作用显著,更符合有机聚合物。也有一些额外的羰基、羧基集团位于平面的边缘,使氧化石墨烯具有强烈亲水性,使他们能轻易发胀并在水中分散。由于这个特性,去吸引了相当多的对聚合物纳米复合材料作为一种纳米填料的关注。然而,石墨烯氧化物只能被溶解水介质中,也就是说与大部分有机聚合物是不相容的。此外,与石墨烯不同,石墨烯氧化物是电绝缘体,这使得它不适合合成导电纳米复合材料。石墨烯的表面改性一个基本步骤为获得单分子孤立的石墨烯水平的分散在聚合物基质中。由此而形成的电导率纳米复合材料可以提高化学还原的石墨烯氧化物,预计是通过重建的石墨网络的sp2化学键。 2.石墨烯 2.1石墨烯的发现
石墨烯是基本结构单位,包括一些碳同素异构和球壳状碳分子，石墨碳纳米管(图1)。它被认为是由苯环上剥离自己的氢原子。滚动的石墨烯沿着指定方向可以产生一个碳纳米管。一个零维度量也能得到合理的富勒烯[109,110 wrapping-up graphene]。1940年,它的成立,从理论上石墨烯是人工构造石墨。在2004年,Geim和曼彻斯特大学的同事在一个简单的桌面试验中成功的识别到单层石墨烯和其他二维晶体[112],这以前被认为是不具有热动力稳定性,在不稳定的环境中就不可能存在。石墨烯十分富有前途的机械、
电气、光、热及磁性性质导致创建了一种新的和令人兴奋的研究基础科学的实验室
2.2石墨烯的合成
石墨烯的制备最早采用的是机械剥离法，即利用胶带粘贴石墨后再转移到硅片上，随后出现在惰性晶体( SiC) 上的晶体外延法; 单晶金属上的化学气相沉积法; 利用特定活性剂的石墨插层剥离法; 以及采用氧化石墨烯的高温脱氧和化学还原法等等。