石墨烯的特性、应用与制备

发布日期:2024/12/20 9:22:55

介绍

石墨烯（Graphene，Go），指的是单层石墨，由sp2轨道碳原子杂化形成强共价键排列在六角形晶格中的蜂窝状晶体，六角形几何结构使石墨烯结构非常稳定。每个层间碳原子通过sp2杂化与周围的碳原子结合，并贡献一个非成键电子形成一个大的π键，使电子可以在层间自由移动。位于2s，2px，2py三个轨道的电子会在不同的原子间形成具有三个夹角为120°的共价键σ，从而构成平面三角形的结构，且键长为1.42 Å。石墨烯的边缘可以被描述为扶手椅（armchair）或锯齿状（zigzag），两种边缘类型导致不同的电子和磁性能。

石墨烯.jpg

石墨烯

能带结构

石墨烯来源于 A，B 两个子晶格，每一个晶格中都包含等价的碳原子位点，导致特殊的电子跃迁。对于单层石墨烯，根据紧束缚模型结果得到的电子能带结构，Go的价带和导带在其布里渊区的狄拉克点 K 和 K'处接触形成锥形谷。在狄拉克点附近，载流子具有线性色散关系𝐸 = ℏ𝑣𝐹𝑘，因此可称为无质量狄拉克费米子。Go中电子的速度为~ 106 m/s，约为光速的 1/300。双层石墨烯也是一种零带隙半导体，但其电子色散在狄拉克点附近不是线性的。对于超过三层的石墨烯，能带结构变得更加复杂，价带和导带开始重叠[1]。

应用

石墨烯具有优异的光学、电学、力学特性，在材料学、微纳加工、能源、生物医学和药物传递等方面具有重要的应用前景，被认为是一种未来革命性的材料。和Go有关的材料广泛应用在电池电极材料、半导体器件、透明显示屏、传感器、电容器、晶体管等方面。Go具有许多特别适合传感器应用的特性，包括其可调的二维组装结构、较高的灵活性、较轻的重量、优异的机电性能、极高的输运性能和显著的光电特性。

制备

目前，石墨烯的制备方法有机械剥离法、化学气相沉积（CVD）法、氧化还原法、直接液相剥离法和切割碳纳米管法等。其中机械剥离法、CVD法、氧化还原法和碳化硅外延生长法最为常用。氧化还原法是最容易实现大规模石墨烯工业化生产的方法，其是通过使用硫酸、硝酸等化学试剂及高锰酸钾、双氧水等氧化剂将天然石墨氧化。该方法使用硫酸、硝酸等强酸，存在较大的危险性，又须使用大量的水进行清洗，带来较大的环境污染，不易回收。采用氢氟酸代替浓硫酸，酸性废液易回收。

具体步骤：将800g六氟硅酸钾固体粉末和200g六氟锰酸钾氟化盐固体粉末混合均匀溶解于45000 mL氟化氢溶液(所述氟化氢‑吡啶溶液中，HF的质量份数为70％)中，经搅拌得到混合溶液；将混合溶液转入水热反应釜中，在25℃温度下保持72h，得到剥离液；将100g鳞片石墨加入至所述剥离液中，在水热反应釜中保持温度25℃，搅拌72h，然后冷却至5℃；在冷却至5℃的溶液中加入适量NMP，防止团聚，用于回收氟化盐溶液并保护Go；将所得溶液进行离心5min，以分离石墨烯；将离心后的石墨烯用适量的溶剂(如纯水或乙醇)进行洗涤，(先用纯水洗两次，再用乙醇洗一次)通常可以重复几次，以确保去除残留的杂质。每次洗涤后再次进行离心分离，直到洗涤液澄清为止。使用超声分散设备对洗涤后的石墨烯分散液进行超声分散，得到均匀的Go分散液；将Go分散液转移到真空干燥箱中。在温度100℃下，干燥24h，得到Go粉体，即所述石墨烯[2]。