石墨烯因其獨特的二維薄片狀結(jié)構(gòu),展現(xiàn)出優(yōu)異的電學、力學性能,成為材料研究的新熱點,帶給人們豐富的想象空間。本文從原理、技術(shù)特點和組織形貌等方面對比了各種石墨烯的制備技術(shù),總結(jié)石墨烯微觀結(jié)構(gòu)的表征手段和技術(shù),概括其主要性能。針對當前石墨烯使用的瓶頸問題,闡述了石墨烯非共價鍵和共價鍵的改性方法。綜述了石墨烯在電池、儲能、涂層、醫(yī)學、傳感器、添加劑等方面的應(yīng)用。最后對石墨烯未來可能的發(fā)展方向進行了大膽的預測。 

【文章來源】：功能材料. 2020,51(04)北大核心CSCD

【文章頁數(shù)】：12 頁

【部分圖文】：

采用不同技術(shù)手段表征石墨烯組織結(jié)構(gòu)的結(jié)果[8-13]

表2 石墨烯的各種制備方法、優(yōu)缺點比較Table 3 Comparison of preparation methods, advantages and disadvantages of graphene 名稱 基底材料 制備技術(shù) 特點 參考文獻 機械剝離 石墨 在玻璃基底上用旋轉(zhuǎn)涂布平鋪一層1 mm厚的光刻膠,將石墨疊加在光刻膠層上,經(jīng)過加熱或烘烤,直到石墨粘附于玻璃層上,隨后,使用膠帶多次剝離石墨樣品 制備簡單、結(jié)構(gòu)完整、電子質(zhì)量高、耗時、產(chǎn)量低 [44] 外延生長 4H-SiC晶片 高溫處理使硅(Si)升華(Si熔點= 1 100 ℃),剩余的C在SiC晶片上的碳晶面或硅晶片上形成石墨烯 可大規(guī)模生產(chǎn),品質(zhì)高溫度要求高,成本高,不均勻,產(chǎn)量低 [45-46] 化學氣相沉積(CVD) 碳氫化合物氣體 分解碳氫化合物氣體(如甲烷(CH4)、乙炔(C2H2)、乙烯(C2H4)和正己烷(C6H14)等生物質(zhì)材料,在金屬催化劑上生長石墨烯片 可大規(guī)模生產(chǎn),均勻,與電流兼容性好,成本高,工藝復雜,產(chǎn)量低 [47-48] 化學還原氧化石墨烯 石墨 用濃硫酸,硝酸鈉和高錳酸鉀的無水混合物等強氧化劑氧化處理石墨生成氧化石墨烯,然后用還原劑來還原氧化石墨 易擴展性、高產(chǎn)量、低成本、優(yōu)良的可加工性、結(jié)構(gòu)缺陷,石墨烯電子結(jié)構(gòu)受到破壞 [49] 石墨烯模板合成 ZnS/GN帶 ZnS帶首先通過物理氣相沉積(PVD)方法在硅襯底上制備,然后作為模板,為GN的生長提供了較大的表面積(ZnS/GN復合材料),最后,將復合納米片浸泡在0.1 mol/L HCl中30 min,去除不需要的ZnS納米片 制備工藝可控,可用于克級GN的生產(chǎn)模板的合成和去除需要較長的時間和復雜的過程。 [50] 液相剝離 石墨 將石墨暴露在具有表面張力的溶劑中,在超聲波的幫助下,石墨分裂成單個的血小板,經(jīng)過長時間的處理,可以得到很大比例的單層薄片,在懸浮液中,可通過離心進一步富集 直接、簡單、良性、規(guī)�；a(chǎn)、低成本、實用性耗時、不均勻 [51-52] 碳納米管的分解 碳納米管 高錳酸鉀的溶液氧化作用硫酸或等離子蝕刻 直接、簡單、大規(guī)模生產(chǎn)、低成本、品質(zhì)高 [53] 石墨電弧放電 石墨 石墨棒浸沒在氣體或液體介質(zhì)中,施加電流將介質(zhì)解離,產(chǎn)生高達3 727～5 727 ℃的高溫等離子體,使前驅(qū)體升華 一步合成法,成本低,易摻雜, 可大規(guī)模生產(chǎn)不均勻、純度低 [54]3 石墨烯表面功能化

圖3(a)為石墨烯非共價鍵改性示意圖,石墨烯與各種有機物、聚合物或無機材料通過摻雜反應(yīng)來實現(xiàn)石墨烯表面的功能化,其結(jié)果是石墨烯與目標材料之間經(jīng)常產(chǎn)生諸如π-π相互作用或范德華力的弱相互作用,而不會改變石墨烯的物理性能和電子結(jié)構(gòu)[55]。Xue等人[56]將金屬Cu和Ni包覆在石墨烯表面,通過XPS光譜分析金屬Cu、Ni和石墨烯之間存在范德華力相互作用(見圖3c)。Wu等人[57]以二甲基甲酰胺(DMF)和甲醇(CH3OH)為溶劑,利用芳香族分子(1-比利牛斯丁酸琥珀酰亞胺酯,PBASE)對石墨烯進行表面功能化,利用拉曼光譜證明了石墨烯與PBASE存在π-π相互作用。圖3(b)為石墨烯共價鍵改性示意圖,無機元素或有機化合物表面的官能團分子與石墨烯表面的碳原子共價連接,然后將石墨烯的sp2雜化轉(zhuǎn)化為sp3雜化[58-60]。Wei等人[61]利用CVD技術(shù)制備了氮摻雜的石墨烯,通過XPS光譜證明實現(xiàn)了氮原子和石墨烯表面碳原子的共價連接。Englert等人[62]同樣通過XPS光譜證明了4-叔丁基苯重氮中的苯原子和碳原子共價連接實現(xiàn)了石墨烯的共價鍵改性。Hu等人[9]在N,N-二甲基甲酰胺介質(zhì)中通過微波輻射成功制備了殼聚糖改性的石墨烯納米片(見圖3d),通過XPS光譜證明了殼聚糖通過酰胺鍵共價接枝到石墨烯納米片的表面。4 石墨烯的應(yīng)用

【參考文獻】：
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