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知识中心石墨烯制备方法研究进展 物理法制备石墨烯的几种方法
2020-11-03 09:41:41
来源：朵拉利品网
1, 物理法制备石墨烯的几种方法
石墨烯具有独特的结构和优异的性能， 近年来在化学、物理和材料学界引起了广泛的研究兴趣，并且在石墨烯的制备上已取得了不少的进展。本文就物理方法方面概述了石墨烯的制备方法。物理方法通常是以廉价的石墨或膨胀石墨为原料，通过机械剥离法、取向附生法、液相或气相直接剥离法来制备单层或多层石墨烯。这些方法原料易得， 操作相对简单，合成的石墨烯的纯度高、缺陷较少。机械剥离法制备石墨烯机械剥离法或微机械剥离法是最简单的一种方法，即直接将石墨烯薄片从较大的晶体上剥离下来。Novoselovt 等于2004年用一种极为简单的微机械剥离法成功地从高定向热解石墨上剥离并观测到单层石墨烯，验证了单层石墨烯的独立存在。具体工艺如下：首先利用氧等离子在1 mm厚的高定向热解石墨表面进行离子刻蚀，当在表面刻蚀出宽20 μm~2 mm、深5 μm的微槽后，用光刻胶将其粘到玻璃衬底上，再用透明胶带反复撕揭，然后将多余的高定向热解石墨去除并将粘有微片的玻璃衬底放入丙酮溶液中进行超声，最后将单晶硅片放入丙酮溶剂中，利用范德华力或毛细管力将单层石墨烯捞出。但是这种方法存在一些缺点，如所获得的产物尺寸不易控制，无法可靠地制备出长度足够的石墨烯，因此不能满足工业化需求。取向附生法晶膜生长制备石墨烯Peter W.Sutter 等使用稀有金属钌作为生长基质，利用基质的原子结构种出了石墨烯。首先在 1150 °C下让C原子渗入钌中，然后冷却至850 °C，之前吸收的大量碳原子就会浮到钌表面，在整个基质表面形成镜片形状的单层碳原子孤岛，孤岛逐渐长大，最终长成一层完整的石墨烯。第一层覆盖率达80 %后，第二层开始生长，底层的石墨烯与基质间存在强烈的交互作用，第二层形成后就前一层与基质几乎完全分离，只剩下弱电耦合，这样制得了单层石墨烯薄片。但采用这种方法生产的石墨烯薄片往往厚度不均匀，且石墨烯和基质之间的黏合会影响制得的石墨烯薄片的特性。液相和气相直接剥离法制备石墨烯液相和气相直接剥离法指的是直接把石墨或膨胀石墨（EG）（一般通过快速升温至1000 °C以上把表面含氧基团除去来获取）加在某种有机溶剂或水中，借助超声波、加热或气流的作用制备一定浓度的单层或多层石墨烯溶液。Coleman等参照液相剥离碳纳米管的方式将石墨分散在N-甲基-吡咯烷酮 （NMP） 中，超声1h 后单层石墨烯的产率为1%，而长时间的超声（462 h）可使石墨烯浓度高达1.2 mg/mL。研究表明，当溶剂与石墨烯的表面能相匹配时，溶剂与石墨烯之间的相互作用可以平衡剥离石墨烯所需的能量，能够较好地剥离石墨烯的溶剂表面张力范围为40~50mJ/m2。利用气流的冲击作用能够提高剥离石墨片层的效率。Janowska 等以膨胀石墨为原料，微波辐照下发现以氨水做溶剂能提高石墨烯的总产率（~8%）。深入研究证实高温下溶剂分解产生的氨气能渗入石墨片层中， 当气压超过一定数值至足以克服石墨片层间的范德华力时就能使石墨剥离。
2, 物理法制备石墨烯的几种方法
国内以北京大学、清华大学、浙江大学，中国科学院沈阳金属所、中国科学院宁波材料所等为代表的高校、科研单位开展了大量的基础研究和应用研发，并涌现出一大批相关企业，石墨烯产业化发展正在全国范围内进行。2013年7月，中国石墨烯产业技术创新战略联盟成立。同时，江苏、浙江、深圳、上海、山东、福建、辽宁、重庆、黑龙江与中科院等机构以多种形式协同创新，纷纷建立了产业技术联盟，促进了创新资源优化组合和创新产业化进程。2013年底，中国石墨烯标准化委员会宣告成立，中国石墨烯研究及检测公共服务平台同时启动，该服务平台主要为中国石墨烯产业技术创新战略联盟相关单位提供专业的石墨烯性能检测与结构表征服务。2014年4月，青岛科技大学与美国密苏里州立大学和美国劳伦斯-伯克利国家实验室合作，联合开发石墨烯基太阳能电池，成本比传统的要降低一半多。2014年3月，清华大学化工系张强、魏飞教授研究组成功制备出一种具有自分散、不堆叠特性的柱撑石墨烯。课题组通过催化气相生长调变石墨烯的拓扑结构，获得了具有突起结构的石墨烯。该柱撑石墨烯用于锂硫电池正极时，其材料的能量密度、功率密度显著优于商用锂离子电池所用正极材料，在电动汽车、个人电子产品、以及大规模储能中具有潜在的应用前景。2014年3月，中科院宁波材料技术与工程研究所在实现石墨烯产业化制备的基础上，进一步开展石墨烯/高分子复合体系相关研究，揭示石墨烯与高分子基体之间的非共价建结合机理，由此提出非化学法改善高分子与石墨烯间界面粘结的新方法。2013年12月，无锡市政府发布了《无锡石墨烯产业发展规划纲要》，提出在惠山经济开发区建设无锡石墨烯产业发展核心区“一区二中心”，力争用5-7年的时间，打造国际一流、国内领先、具有鲜明特色的无锡石墨烯产业集群。在12月，全球首款双层多点石墨烯触控手机在无锡推出，从生产石墨烯粉体材料和石墨烯薄膜的第六元素和格非电子，到生产薄膜下游产品石墨烯触摸屏的力合光电，再到将石墨烯触摸屏集成为手机的爱维特信息，无锡已初步形成从原材料到最终产品的产业链。2013年6月，中国内蒙古石墨烯材料研究院成立，是我国首个石墨烯材料的综合型研究机构和技术开发中心，主要从事石墨烯材料的新品种、新工艺、新装备、新技术的研究开发、产品标准制订及质量监督检测。2013年中科院重庆研究所用化学气相沉积法成功制备出国内首片15英寸的单层石墨烯，并成功地将石墨烯透明电极应用于电阻触摸屏上，制备出7英寸石墨烯触摸屏。中科院金属研究所在石墨烯透明导电薄膜方面完成CVD反应装置与其他设备的采购、安装和调试，能够实现石墨烯透明导电薄膜的实验室制备，制备出4英寸石墨烯透明导电薄膜。此外，金属研究所研制具有三维连通网络结构的石墨烯泡沫体材料，并已经取得实验室样品。而在动力电池用石墨烯基电极材料研发方面，已基本确立石墨烯使用的种类和添加量，并且结合电池材料制备过程和实验结果，初步建立石墨烯的使用标准。
名词解释
石墨
石墨(graphite)是一种矿物名，通常产于变质岩中，是煤或碳质岩石（或沉积物）受到区域变质作用或岩浆侵入作用形成。石墨是元素碳的一种同素异形体，每个碳原子的周边连结著另外三个碳原子，排列方式呈蜂巢式的多个六边形，每层间有微弱的范德华引力。由于每个碳原子均会放出一个电子，那些电子能够自由移动，因此石墨属于导电体。石墨是其中一种最软的矿物，不透明且触感油腻，颜色由铁黑到钢铁灰，形状呈晶体状、薄片状、鳞状、条纹状、层状体或散布在变质岩中。 化学性质不活泼，具有耐腐蚀性。
材料
材料是人类用于制造 物品、 器件、 构件、 机器或其他产品的那些物质。材料是 物质，但不是所有物质都可以称为材料。如燃料和 化学原料、工业 化学品、食物和药物，一般都不算是材料。但是这个定义并不那么严格，如 炸药、固体火箭推进剂，一般称之为“含能材料”，因为它属于 火炮或 火箭的 组成部分。
2013
《2013》是导演罗兰·埃默里奇为《2012》拍的续集，是一套电视剧集。讲述的是一群在2012大灾难中存活下来的人，他们如何建立一个新世界以及这个重建的世界是什么样的。
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