石墨烯材料的制备及其在电化学领域的应用(3)

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材料导报Ａ：综述篇

２０１１年３月（上）第２５卷第３期

碳原子不必重新排列来适应外力，保持了结构稳定。作为石墨、膨胀石墨或微粉石墨作为石墨源，其中以氧化石墨为

源制备的石墨烯存在较多的含氧官能团和不可逆转的结构缺陷，极大地影响了石墨烯的电学性能．而以膨胀石墨或者微粉石墨为源制备的石墨烯，具有缺陷很少、导电率很好的特点。

以石墨烯为基础的材料极有可能是将来制作纳米器件的原材料。但是，通过传统方法制造出来的以石墨烯为基础的材料通常只是微米尺寸的石墨烯层。为了能在纳米器件

ｓ矿杂化碳质材料基元结构的单层石墨，石墨烯是由碳六元

环组成的二维（２Ｄ）周期蜂窝状点阵结构（见图１（ａ））ＨＪ，它可

以翘曲成零维（０Ｄ）的富勒烯，卷成一维（１Ｄ）的碳纳米管

（ＣＮＴ）或者堆垛成三维（３Ｄ）的石墨“日。

石墨烯这种稳定的晶格结构使其具有异常优异的导电性。石墨烯的价带（“电子）和导带（”。电子）相交于费米能级处（Ｋ和Ｋ’点），是能隙为零的半导体．在费米能级附近其载流子呈现线性的色散关系（见图１（ｂ））ｏ］。石墨烯中的电子在轨道中移动时，不会因晶格缺陷或引入外来原子而发生散射。由于原子问作用力十分强，在常温下．即使周围碳原子发生挤撞，石墨烯中电子受到的干扰也非常小。石墨烯是

中应用，需要设计出更有效的方法将石墨烯层切割成指定的

形状，且尺寸达到纳米级别。Ｐａｎ等口”报道了一种热液方法，它能将预氧化石墨薄片切割成水溶性超细石墨烯量子点，在这个过程中还发现了蓝色光致发光现象，这预示着以石墨烯为基础的材料应用可以扩大到光电子学和生物标签等更多领域。

目前已知导电性能最出色的材料。石墨烯最大的特性是其

中电子的运动速度达到了光速的１／３００，远远超过了电子在一般导体中的运动速度“＿５。石墨烯特殊的结构使其具有完美的量子隧道效应、半整数的量子霍尔效应等一系列性质口…。石墨烯也具有良好的力学、光学和热学性质，具有突出的导热性能（３０００Ｗ／（ｍ Ｋ））和力学性能（１０６０ＧＰａ）印］．以及室温下高速的电子迁移率（１５０００ｃｍ２／（Ｖ ｓ））［ｉｏ］。石

最近，英国曼彻斯特大学的安德烈 格伊姆等ｏ”在石墨

烯基础上开发出一种具有突破性的新材料——石墨烷。这

种新材料是由石墨烯衍生而来的具有绝缘性能的二维晶体。

该方法也同样适用于制备出石墨烯的系列类似衍生物．这些

新型材料具有不同的导电性能。研究发现，石墨烯可被修改

墨烯是真正的表面性固体，理想的单层石墨烯具有超大的比表面积．其理论比表面积高达２６００ｍ２／ｇ口“，而单层石墨烯的比表面积为２６３０ｍｚ／４”］ｔ大大超过目前应用于电化学双层

电容器中的活性炭的比表面积。

成系列衍生材料以微调其电子性能．通过调控可以实现从绝缘体到半导体再到金属的特性ｍ】。这为未来电子设备的发展

提供了一种真正多功能的材料。设想一下。未来的晶体管将

会由纯净的具有高导电性的石墨烯和具有半导体性能的石

墨烯衍生物一起组成。通过改变石墨烯的性能而使其电性能覆盖整个半导体工业领域，这极有可能会带来一场半导体

矿鼹

工业的变革。

石墨烯因独特的结构和非凡的电学、热学及力学性能，引起了化学、物理、材料及器件加工等各学科研究人员的高

度关注，对它的基础理论、大规模制备及相关应用领域进行

．黔崦

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Ｔｈｅｅｘｃｅｐｔｉｏｎａｌｅｒｙｓｔａｌａｎｄｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｇｒａｐｈｅａｅ

了广泛的探索，成为当今国际上的研究热点和各国科技竞争的前沿ｏ＿３］。世界各国政府和各大公司也都高度重视并投入

大量人力、物力抢占这一战略高地。我国政府对石墨烯的相

关研究也给予了高度重视，在８６３、９７３和国家自然科学基金等科技计划中都有立项。

目前已能实现实验室大规模制备石墨烯，但工业化生产还需有个过渡阶段。大量的问题还需要研究．例如：如何低

图１石墨烯独特的晶体结构和能带结构

ｂｍｄ

由于石墨烯大的表面体积比和独特的高导电性．石墨烯及其复合材料在电化学领域中有诱人的应用前景”…。因此

各国科研人员和机构竞相进行石墨烯材料的制备及电学、电化学性能的研究和开发。

成本、大规模制备出期望结构的石墨烯，如何实现其微加工

来完成对石墨烯大小、边缘和形状的控制．不同层结构的石墨烯性能如何，等等。这些都是需要解决的关键性问题。另

外．关于石墨烯的基本物理性能及展示独特优异性质的内在

原理的研究也需要深入。

２石墨烯材料的制备

２．１石墨烯的制备

石墨烯的主要制备方法有机械劈裂法１…、外延晶体生长法’””、化学气相沉积法。”。、氧化石墨的热膨胀’‘‘和还原方

２．２石墨烯基复合材料的制备

由于薄层石墨烯片合成方法的潜力巨大、成本低廉。所

以石墨烯片作为新兴填料在石墨烯复合材料上会有广泛的

应用。将石墨烯与无机物、聚合物等复合可以形成石墨烯复合材料。因为石墨烯具有独特的优异性能，能够展示良好性能的石墨烯复合材料令人期待。ＳＨＹｕ等“一证实：在还原态石墨烯片上，通过在聚合醇中高温分解前驱体乙酰丙酮铁就可以成功合成磁性化还原态石墨烯。通过有效控制石

法。１”。还有一些其他制备方法也陆续被开发出来．如气相等

离子体生长技术－“、静电沉积法ｏ”和高温高压合成法＝２８等。

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