新材料之王——石墨烯.ppt

新材料之王 -石墨烯,讲解：唐伟 PPT制作：王新波 材料收集：杨嗣达,目录 一、引言 二、石墨烯的历史简介 三、石墨烯的性质 四、石墨烯的制备方法 五、石墨烯的应用 六、石墨烯的应用前景和发展方向,引言 世界各国历来重视材料，特别是新材料的发展。美国、欧洲、日本等发达国家和地区将新材料发展作为国家科技发展战略的重要组成部分。 美国处于世界科技的领先地位得益于对新材料研究的重视（MGI）。在已发表的第一份国家关键技术报告中，美国就将新材料列为所提出的对国家经济繁荣和国家安全至关重要的6个领域之首。 欧盟的关键使能技术（KETs），欧盟委员会指出KTEs的技术有助于提高欧盟未来十年的国际竞争力。,日本在国际竞争中能够长期处于领先地位，也得益于其强大的材料科技，特别是在半导体材料、电子材料、碳纤维复合材料及特种钢等领域取得的成就。日本在其第二个科学技术基本计划( 2001 年 -2005 年) 中就曾提到要优先发展生命科学、信息通信、环境科学以及纳米技术与材料等领域。第三个科学技术基本规划( 2006 年 -2010 年)中仍然将纳米技术与材料确定为国家级优先发展的领域之一。 俄罗斯也始终把发展新材料相关技术产业作为国家战略和国家经济的主导产业。2030 年前材料与技术发展战略发布的 18 个重点材料战略发展方向，其中包括智能材料、金属间化合物、纳米材料及涂层、单晶耐热超级合金、含铌复合材料等等，同时还制定了新材料产业主要应用企业的发展战略。,中国的新材料政策和计划,中国也提出了中国版的材料基因组计划，宗旨是“一个整体、多个层次、协同创新”。一个整体即组建全国性的包括材料计算、材料学实验和数据库三位一体的“材料基因组研究中心”，打造全国性的“材料创新基础设施”;多个层次即发挥中央和地方政府多方面的积极性，既有政府的引导作用，也有企业的主导作用; 协同创新即计算、实验、数据库三要素协同; 材料“发现 研发 生产 应用”各个环节的协同; “官、产、学、研、用”的协同。 中国出台的新材料十三五重在对相关产业的配套支持。助力早日实现“一代材料、一代器件、一代系统”的设计理念。比如，基于石墨烯的“特斯拉”效应，产业渐行渐远，已被列入“十三五新材料计划”。,石墨烯研究历史简介,1985年英美科学家发现富勒烯； 1991年日本物理学家lijima发现碳纳米管； 2004年英国曼彻斯特大学科学家成功制备石墨烯。 至此，金刚石（三维），石墨（三维），石墨烯（二维），碳纳米管（一维）和富勒烯（零维）组成了一个完整的碳材料“家族”。,石墨烯出现在实验室中是在2004年，当时，英国曼彻斯特大学的两位科学家安德烈杰姆和克斯特亚诺沃消洛夫发现他们能用一种非常简单的方法得到越来越薄的石墨薄片。他们从石墨中剥离出石墨片，然后把薄片的两面粘在一种特殊的胶带上，撕开胶带，就能把石墨片一分为二。不断地这样操作，于是薄片越来越薄，最后，他们得到了仅由一层碳原子构成的薄片，这就是石墨烯。这以后，制备石墨烯的新方法层出不穷，经过5年的发展，人们发现，把石墨烯带入工业化生产的领域已为时不远了。 因此，两人在2010年获得诺贝尔物理学奖。,石墨烯的出现在科学界激起了巨大的波澜，人们发现，石墨烯具有非同寻常的导电性能、超出钢铁数十倍的强度和极好的透光性，它的出现有望在现代电子科技领域引发一轮革命。在石墨烯中，电子能够极为高效地迁移，而传统的半导体和导体，例如硅和铜远没有石墨烯表现得好。由于电子和原子的碰撞，传统的半导体和导体用热的形式释放了一些能量，一般的电脑芯片以这种方式浪费了72%-81%的电能，石墨烯则不同，它的电子能量不会被损耗，这使它具有了非比寻常的优良特性。,石墨烯的性质 一、导电导热特性 二、机械特性 三、电子的相互作用,导电导热特性 石墨烯结构非常稳定，研究者仍未发现石墨烯中有碳原子缺失的情况。石墨烯中各碳原子之间的连接非常柔韧，当施加外部机械力时，碳原子面就弯曲变形，从而使碳原子不必重新排列来适应外力，也就保持了结构稳定。这种稳定的晶格结构使碳原子具有优秀的导电性。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。由于原子间作用力十分强，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。,机械特性 石墨烯是人类已知强度最高的物质，比钻石还坚硬，强度比世界上最好的钢铁还要高上100倍。 研究人员发现，在石墨烯样品微粒开始碎裂前，它们每100纳米距离上可承受的最大压力居然达到了大约2.9微牛。据科学家们测算，这一结果相当于要施加55牛顿的压力才能使1微米长的石墨烯断裂。如果物理学家们能制取出厚度相当于普通食品塑料包装袋的石墨烯，那么需要施加差不多两万牛的压力才能将其扯断。换句话说，如果用石墨烯制成包装袋，那么它会能承受大约两吨重的物品。,电子的相互作用 利用世界上最强大的人造辐射源，美国加州大学、哥伦比亚大学和劳伦斯伯克利国家实验室的物理学家发现了石墨烯特性新秘密：石墨烯中电子间以及电子与蜂窝状栅格间均存在着强烈的相互作用。,石墨烯的制备方法 一、微机械剥离法 二、氧化还原法 三、化学气相沉积法（CVD） 四、SiC 外延生长法,石墨烯潜在潜在的应用价值的实现取决于低成本、高质量、规模化可控设备。根据原料来源，石墨烯的制备方法可分为top-down和bottom-up两大类制备方法。top-down主要有微机械剥离法和氧化还原法。Bottom-up主要包括化学气相沉积法（CVD)和SIC外延生长法。 微机械剥离法是制备高质量石墨烯最有效的方法之一。2004 年，Andre Geim 和 Konstantin Novoselov 用透明胶带，经过反复粘揭，从高定向热解石墨中首次剥离出了石墨烯，获得了 2010 年诺贝尔物理学奖，但该方法存在耗时多，所得石墨烯尺寸小等缺陷，无法实现工业化应用 。,氧化还原法是制备石墨烯最广泛的方法之一，基本原理是在强氧化剂作用下，石墨和氧化剂发生氧化还原反应，在石墨片层之间插入官能团，破坏片层之间的范德华力，再通过还原的方法得到石墨烯。其化学反应方程式如下： 4KMnO4+3C+H2O=4MnO2+K2CO3+2KHCO3 制备过程如下：,化学气相沉积法（CVD） 化学气相沉积法已成为规模化制备高质量石墨烯的重要方法。其主要以乙烯、乙炔、甲烷等碳氢化合物为碳源，在惰性气体（如N2、Ar）保护及氢气的调节作用下，碳源在金属基体的承载和催化作用下热解重组形成石墨烯，反应机理包括四部分： 气相前驱体在催化剂表面的沉积; 沉积的含碳物质分散、溶解到基体金属中; 溶解的碳原子偏析至金属表面; 在金属表面晶体成核并逐渐生成位石墨烯。,SiC 外延生长法 SiC 外延生长法是另一种大批量制备高质量石墨烯的方法，主要机理是真空条件下，将 SiC 加热至 1000 以上，通过硅原子的蒸发和碳原子的重组形成石墨烯，但这种方法所得的石墨烯尺寸较小，成本高昂，且在高温下所得石墨烯往往容易发生团聚. 此外，石墨烯的制备方法还有以芳香族物质为原料，通过化学反应直接合成石墨烯。利用合适的化学试剂，将形成碳纳米管的碳碳键沿纵向断裂，得到石墨烯 . 由此可见，关于石墨烯的制备已经趋于多样化，而这些新方法大都仅限于初级研发阶段，反应条件苛刻，工业化应用前景不明。,石墨烯的应用,石墨烯在电化学、环境科学、生物医学、有机化学等许多方面都广泛存在应用，下面简单介绍一些石墨烯的部分应用。 石墨烯复合材料在水治理的应用 吸附作用 水的纯化有许多方法，如淡化、过滤、渗透、吸附、沉淀等，其中吸附的作用最为优势。大规模生产的功能化石墨烯是一种经济的材料，能更好的利用在水净化中。将石墨烯与其他化合物进行复合，例如四氧化三铁纳米粒子可以组织石墨烯的聚集，不仅保留了石墨烯的高比表面积和多孔性，而且复合材料具有磁性，可以循环利用。这些复合材料在吸附污染物上具有很高的效率。,光催化降解 石墨烯和石墨烯基的材料对于染料具有较高的吸附能力，吸收谱带较宽，较高的电荷分离和电荷传输特性，在光催化水处理方面具有较高的应用前景。这些性质可以大大提高石墨烯基复合材料的光催化转化效率。 例如：光催化降解金属离子。在催化降解中以石墨烯为基底提高体系的光催化效率，这是由于石墨烯的引入可以降低光生电子-空穴复合的几率，并且提高了对光的吸收能力，同时提高了材料的导电性能。,（3）氧化石墨烯荧光性能在生物医学领域的应用 石墨烯化学衍生的GO(graphene oxide)分子结构中既有sp2碳原子又有sp3碳原子，其表面的含氧功能基团（羧基、羟基、环氧基）有利于GO分散到各类溶剂中，便于和其他物质进一步反应，使其在生物医学领域应用广泛。其次GO因其巨大的表面积可以吸附不同的应该分子，可以应用于生物监测和疾病诊断。第三，其固有的光学性质是GO能实现活体细胞的生物成像。 GO 荧光性能在生物医学领域应用概图,a、检测 DNA GO表面是六元环结构，对包含六元环构造的DNA碱基有非常强的吸附作用，然而GO对不同分子结构的DNA，其结合能力也有很大差异，例如：单链 DNA(ssDNA) 与 GO之间的结合能力远比双链 DNA(dsDNA)强烈，通过此种差别和其良好的荧光淬灭能力，石墨烯氧化物在生物传感以及分子检测方面有越来越广泛的应用。GO与单链DNA探针（用荧光材料标记）间发生强烈的非共价键吸附作用，通过FRET作用，GO和荧光材料之间发生能量转移而淬灭荧光。目标DNA通过和DNA探针杂交形成双链DNA分子而使荧光材料与GO分离，通过荧光从淬灭到恢复这种变化检测目标DNA。DNA（脱氧核糖核酸）为染色体主要构成部分，也是主要遗传物质，对 DNA的定性、定量检测，对于临床疾病的研究，生物医学检验具有重要意义。,b、 检测蛋白质、酶类 蛋白质是生物体的基本组成成分，可与DNA共同组成染色体，与所有的生命活动紧密联系，在机体的新陈代谢，免疫功能，遗传信息的控制等方面有着重要作用。在基于GO检测蛋白质和酶类的荧光传感器中，研究者主要利用GO良好的荧光淬灭性能，并且进一步结合相关的化学反应来监测目标蛋白和酶含量。此外，结合 GO和生物分子识别单元检测蛋白质和酶类在临床诊断中具有广阔的前景，对其测定有利于进一步探索生物遗传和疾病机制，但其发展尚未成熟，需要更多的努力。,c、检测其它生物分子 在生物体内存在着各种各样的分子，它们具有不同的生物学效应。由于荧光分子与GO间的FRET效应，可以研制出基于GO吸附和脱附作用的荧光传感器用来检测 ATP、葡萄糖、生物素等生物分子。利用GO独特的吸附与淬灭性能，Zhu等人基于ATP依赖性酶反应和GO以及DNA结构之间的不同吸附亲和力，研制了一种简单方便、无扩增、灵敏度较高以及选择性较好的荧光生物传感器检测ATP。葡萄糖是生命活动中不可缺少的物质，它在人体内能直接参与新陈代谢过程，血糖也是糖尿病人最重要的诊断标准，因此对其快速灵敏的检测具有重要意义。,石墨烯的应用前景和发展方向,石墨烯电池 目前，传统锂电池的发展正处于瓶颈阶段，研发石墨烯 储能器件可大幅度降低电池充电时间，为储能产业带来改革。 石墨烯太阳能电池 麻省理工的一份报告中指出，石墨烯在太阳能电池中光电转化效率可达60%，是多晶硅的2倍，因此被认作第三代太阳能电池器件的最佳原料之一。,石墨烯触摸屏 石墨烯触摸屏具有制造成本低、操作简单、柔韧性强、节能环保等优势使其占据强大的市场竞争力。中国科学院重庆绿色智能技术研究院制备出15英寸单层石墨烯，通过对石墨烯透明电极的研发，已将其应用于7英寸石墨烯触摸屏上。 石墨烯3D成像 劳伦斯伯克利国家实验室Erius等使用石墨烯电池液作为胶状纳米粒子原子成像系统，该成像系统可在计算机显示纳米粒子3D结构模型，简化了原子级工程学的设计过程。,石墨烯电子器件 石墨烯电子器件的诞生于石墨烯本身的良好的导 电性能离不开关系。石墨烯场效应晶体管便是一例。 石墨烯极高的载流子迁移率使这种晶体管的反应 速度成为一绝。但由于石墨烯带隙为零，因此基于单层的石墨烯的场效应晶体管无法关断，开关