石墨烯因其獨(dú)特的二維薄片狀結(jié)構(gòu),展現(xiàn)出優(yōu)異的電學(xué)、力學(xué)性能,成為材料研究的新熱點(diǎn),帶給人們豐富的想象空間。本文從原理、技術(shù)特點(diǎn)和組織形貌等方面對(duì)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(duì)當(dāng)前石墨烯使用的瓶頸問題,闡述了石墨烯非共價(jià)鍵和共價(jià)鍵的改性方法。綜述了石墨烯在電池、儲(chǔ)能、涂層、醫(yī)學(xué)、傳感器、添加劑等方面的應(yīng)用。最后對(duì)石墨烯未來可能的發(fā)展方向進(jìn)行了大膽的預(yù)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(diǎn)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(diǎn) 參考文獻(xiàn) 機(jī)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(shí)、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(diǎn)= 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(xué)氣相沉積(CVD) 碳?xì)浠衔餁怏w 分解碳?xì)浠衔餁怏w(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(fù)雜,產(chǎn)量低 [47-48] 化學(xué)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(qiáng)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(kuò)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(fù)合材料),最后,將復(fù)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(jí)GN的生產(chǎn)模板的合成和去除需要較長的時(shí)間和復(fù)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(gè)的血小板,經(jīng)過長時(shí)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(jìn)一步富集 直接、簡單、良性、規(guī)�；a(chǎn)、低成本、實(shí)用性耗時(shí)、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(dá)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(jià)鍵改性示意圖,石墨烯與各種有機(jī)物、聚合物或無機(jī)材料通過摻雜反應(yīng)來實(shí)現(xiàn)石墨烯表面的功能化,其結(jié)果是石墨烯與目標(biāo)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(huì)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(duì)石墨烯進(jìn)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(jià)鍵改性示意圖,無機(jī)元素或有機(jī)化合物表面的官能團(tuán)分子與石墨烯表面的碳原子共價(jià)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(shí)現(xiàn)了氮原子和石墨烯表面碳原子的共價(jià)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(jià)連接實(shí)現(xiàn)了石墨烯的共價(jià)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(jià)接枝到石墨烯納米片的表面。4 石墨烯的應(yīng)用

【參考文獻(xiàn)】：
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