纳米材料之石墨烯

纳米材料之石墨烯纳米材料之石墨烯 关于石墨烯 一 石墨烯的发现 一 石墨烯的发现碳是自然界中极其丰富的元素之一 也是同素异 形体最为丰富的元素之一 金刚石和石墨是被大家所熟知的碳的最常见的两种同素异形体 年富勒烯的发现让人们认识了碳家族的一位新成员 并促 使人们去发现更多碳的同素异形体 1991年日本NEC公司的S Iijima在使用高分辨透射电镜检查石墨电弧 放电产物时 意外的发现了管状的碳纳米结构 碳纳米管 碳纳米管一经发现 立刻引起了物理学家 化学家和材料学家的极 大关注和研究热情 独特的结构 物理化学性质 机械性能 使其在化学催化 电子器 件和复合材料等领域都具有巨大的应用潜力 而石墨烯的发现几经挫折 直到xx年 英国曼彻斯特大学A K Geim 和K S Novoselov等人采用微机械剥离法才获得单层的二维原子晶体 石墨烯 然而石墨烯是目前发现的唯一存在的二维自由态原子晶体 它是构筑 零维富勒烯 一维碳纳米管 三维体相石墨等sp2杂化碳的基本结构 单元 具有很多奇异的电子及机械性能 二维的石墨烯本身是半金属性 或者说是零带隙的半导体 同时具 有金属和半导体的一些特性 而当石墨烯的尺寸达到跟单壁碳纳米管一样的准一维时 又称为石 墨烯纳米带 同样也会根据石墨烯带的宽度和边缘结构的不同而 表现出金属性或者半导体性 并且自由态的石墨烯在室温下在真空或空气中可稳定存在 这一发 现推翻了历来被公认的 完美二维晶体结构无法在非绝对零度下稳 定存在 的这一观点 震惊了科学界并成为碳基纳米材料研究的新 热点 单层石墨烯是指只有一个C原子层厚度的石墨 碳原子之间依靠共价 键相连接而形成蜂窝状结构 石墨烯具有优异的导热性能和力学性能 此外 石墨烯稳定的正六边形晶格结构使其具有优良的导电性 石墨烯特殊的结构 突出的导热导电性能和力学性能 引起科学界 巨大兴趣 成为材料科学研究热点 二 石墨烯的制备人们在发现了石墨烯之后 便开始了石墨烯制备 的研究与探讨 石墨烯的制备从最早的机械剥离法开始逐渐发展出多种制备方法 如 晶体外延生长法 化学气相沉积法 液相直接剥离法以及高温脱氧 和化学还原法等 通过大量的实验摸索 人们发现自上而下的方法可提高石墨烯产率 并且易于制备 如简单易行的化学剥离法和氧化石墨还原法 后者已成为实验室制备 石墨烯最简单的方法 而接下来发展的溶剂剥离法比氧化还原法毒性小 并且不会破坏石墨 烯的结构 石墨烯的制备方法 三 石墨烯的应用石墨烯具有优良的化学和物理性能 所以 也被 广泛的应用在了各个方面 1 传感器石墨烯表面的含氧基团可与水及OH 形成氢键 晶体外延型的1 2层石墨烯可灵敏地感知表面的离子密度 从而可以作为很好的pH传感器 这也预示着石墨烯有可能在合成超快 低噪声的生物传感器和化学 传感器方面有很好的发展前景 2 气体分子传感器石墨烯的表面可吸附气体分子 而不同的气体分 子可以作为电子给体或受体 从而引起电导率的变化 这与固态气体 传感器的作用机制相似 Novoselov等对NO 2 NH 3 H2O CO在石墨烯表面的吸附做了研究 检测限可降低到1ppm 并 且在1min内电导率即可发生明显变化 其中 NO2的检测最为迅速 几乎是瞬间完成 检测后 石墨烯在150e真空条件下退火 可还原到初始状态 且这种反 复的 退火 检测操作不会引起化学品的失活 Kern等通过电化学的方法将金属颗粒沉积在石墨烯表面得到的金属P d掺杂的石墨烯对H2有很好的灵敏性 可作为H2传感器 3 储氢材料在储氢材料方面 合金如LaNi 5 TiFe MgNi等都有储氢能力 其中 La和Ti合金为低温 储氢材料 但其储氢能力低 Mg合金为高温 储氢材料 虽然理论储氢量很高 但它的吸附P解吸动力学不稳定 此外 合金不仅价格昂贵而且比重大 因而在很大程度上限制了其实 际应用 在新型储氢材料的开发研究中 人们发现碳纳米管以及石墨烯等都有 很好的储氢能力 而且这些材料的价格低廉 能够大幅度降低成本 Rao等 研究了石墨烯对氢气和二氧化碳的吸附性能 理论计算表明 如果采用单层石墨烯 其H2吸附量可达717wt 完全能 满足美国能源部 MOE 对汽车所需氢能的要求 6wt 因而 在储氢材料方面 石墨烯具有很好的发展前景 有待科学家进一 步研究 4 药物控制释放Dai等利用石墨烯与喜树碱类同系物SN38之间的疏 水相互作用及P P堆积 制备了NGO PEGSN38复合物 有很好的水溶性 在体内可以缓慢释放SN38 从而实 现药物的控制释放 5 离子筛分子动力学研究表明 碳纳米管可以用来传输气体 液体 水合离子也可以通过较大半径的碳纳米管 那么 石墨烯是否也具有这样的性质呢 科学家通过离子刻蚀的方法 得到两种含不同孔径大小的石墨烯 通过实验证实 石墨烯也具有这 种性质 6 石墨烯作为电极材料石墨烯有很好的导电性 与有机材料的接触 电阻小 可与有机材料兼容因而是很好的电极材料 7 其他方面石墨烯薄膜是经过石墨烯的氧化物还原得到的 它能通 过非共价功能化 可用于制造大面积的薄膜材料 具有优于其他材料 的特性 如可控渗透性 离子导电体各向异性 超电容性等 石墨烯薄膜用在透射电镜 TEM 上 首次实现了H原子的检测 并且成 功拓展到其他轻原子以及开展这些轻原子的动力学研究 四 石墨烯的前景展望石墨烯的导电性好 有望代替硅生产超级计算 机 它的质量轻 强度高 不仅可用来开发出纸片般薄的超轻型飞机 材料 超坚韧的防弹衣 甚至能让科学家梦寐以求的213万英里长的 太空电梯成为现实 但是尽管石墨烯有着很多优异的性能并且有着令世人瞩目的潜在应 用 然而石墨烯距离工业化生产应用都还存在一