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石墨烯综述.pdf

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highlywood 2013-12-28 评分 0 浏览量 0 0 0 0 暂无简介 简介 举报

简介:本文档为《石墨烯综述pdf》,可适用于高等教育领域,主题内容包含石墨烯制备及应用李俊峰科普作者简介李俊峰博士毕业于清华大学材料系目前从事特种涂层及相变温控材料研究Email:jflicom目录一.一.什么是石墨烯符等。

石墨烯制备及应用李俊峰科普作者简介李俊峰博士毕业于清华大学材料系目前从事特种涂层及相变温控材料研究Email:jflicom目录一.一.什么是石墨烯?什么是石墨烯?二.二.石墨烯具有哪些优异性质?石墨烯具有哪些优异性质?三.三.如何制备石墨烯?如何制备石墨烯?四.四.石墨烯可在哪些领域应用?石墨烯可在哪些领域应用?什么是石墨烯?AKGEIM,andKSNOVOSELOV,Naturematerials,volume,什么是石墨烯?AKGeim,etalCarbonWonderland,ScientificAmerican,April石墨烯具有哪些优异性质?关键特性:A K Geim, et al Graphene: Exploring carbon flatland Physics Today,p‐, 已知的最薄的完全二维晶体结构已知的最薄的完全二维晶体结构完全由C组成完全由C组成良好的电学、热学、化学性能良好的电学、热学、化学性能具有脱离基本的自支撑性具有脱离基本的自支撑性石墨烯具有哪些优异性质?AKGeim,etalCarbonWonderland,ScientificAmerican,April石墨烯具有哪些优异性质?S Park ,R SRuoff:Chemicalmethods for the production of grapheneNaturenanotechnology,电学性质‹零带宽载流子迁移率:cmV‐s‐‹室温量子霍尔效应‹双极化电场效应机械性质‹断裂强度:~GPa‹杨氏模量:~GPa热学性质‹热导率:~Wm‐K‐化学性质‹比表面积:~mg‐石墨烯的电传输性质单层石墨烯中电子受对称晶格势的影响电子有效质量为即电子成了一种狄拉克费米子其在石墨烯中速度恒定为光速的,可以进行低速下相对论效应观测。VirendraSingh,DaehaJoung,ProgressinMaterialsScience()–石墨烯具有哪些优异性质?石墨烯的电传输性质通过外加底电极(在Si与Graphene之间外加电场)对Graphene中载流子浓度等进行调节载流子可以在电子和空穴之间连续调节石墨烯呈现出n型和p型特性,且载流子迁移率几乎不受温度影响这些特性为其在电子学中应用奠定基础。毛金海,高鸿钧,物理,()–石墨烯具有哪些优异性质?石墨烯的电传输性质KimandcoworkersreportedthemobilitiesinexcessofcmVsatcarrierdensityofcmformechanicallyexfoliatedsuspendedlayerofgrapheneaboveaSiSiOgateelectrode。VirendraSingh,DaehaJoung,ProgressinMaterialsScience()–石墨烯具有哪些优异性质?石墨烯的机械性质VirendraSingh,DaehaJoung,ProgressinMaterialsScience()–石墨烯具有优异的机械性质。石墨烯具有哪些优异性质?石墨烯的热学性质VirendraSingh,DaehaJoung,ProgressinMaterialsScience()–如图所示的石墨烯热导率测试方法以nm激光加热用石墨烯的拉曼光谱中G峰位移变化标示石墨烯的温度变化从而测得石墨烯热导率。石墨烯具有哪些优异性质?石墨烯的热学性质VirendraSingh,DaehaJoung,ProgressinMaterialsScience()–石墨烯具有优异的热学性质。石墨烯具有哪些优异性质?石墨烯的光学性质VirendraSingh,DaehaJoung,ProgressinMaterialsScience()–单层石墨烯的在较宽波长范围内吸收率约。在几层石墨烯厚度范围内厚度每增加一层吸收率增加即呈线性增加。石墨烯具有哪些优异性质?如何制备石墨烯?石墨烯制备石墨法非石墨法物理剥离法气相沉积法化学合成法化学剥离法如何制备石墨烯?物理剥离法胶带反复剥离KSNOVOSELOVandDJiang,Pans():,胶带反复剥离世界上首片石墨烯即是用此方法获得。如何制备石墨烯?机械剥离法湿法球磨CatharinaKnieke,AngelaBerger,Carbon:–,通过控制球磨参数来获得适当的磨球动能球磨获得石墨烯。如何制备石墨烯?机械剥离法湿法球磨CatharinaKnieke,AngelaBerger,Carbon:–,球磨h超过的片层厚度<nm。如何制备石墨烯?机械剥离法静电滚刷XiaoganLiang,ValentinaGiacometti,APPLIEDPHYSICSLETTERS,,通过静电力辅助采用旋辊方式从高定向石墨上剥离石墨烯。如何制备石墨烯?机械剥离法静电滚刷XiaoganLiang,ValentinaGiacometti,APPLIEDPHYSICSLETTERS,,从拉曼结果看出采用此法制备的石墨烯厚度多数在层以内。如何制备石墨烯?KianPingLoh,QiaoliangBao,JournalofMaterialsChemistry,:–,OxidetiontoGOReductiontographene化学剥离法如何制备石墨烯?化学剥离法石墨插层剥离KianPingLoh,QiaoliangBao,JournalofMaterialsChemistry,:–,将碱金属插层石墨复合物K(THF)xC在惰性气氛保护下在N甲基吡咯烷酮(NMP)中搅拌h然后rpm离心min分离出石墨烯。如何制备石墨烯?XiqingWang,PasqualeFFulvio,ChemCommun,,–,化学剥离法超声剥离将石墨在丁基甲基咪唑双(三氟甲磺酰基)亚胺离子液体中直接超声剥离得到的石墨烯浓度达到mgmL,石墨烯厚度<层。如何制备石墨烯?化学剥离法插层超声剥离KianPingLoh,QiaoliangBao,JournalofMaterialsChemistry,:–,将硫酸和硝酸插层的石墨在水热处理h然后在油胺中超声处理min形成浓度mgmL的石墨烯溶液。如何制备石墨烯?JunzhongWang,KiranKumarManga,JAmChemSoc,,–,化学剥离法电化学剥离将高定向合成石墨在丙烯碳酸酯电解质中经高电压锂离子插层并超声分散得到石墨烯。平均厚度层的石墨烯的产率达到。如何制备石墨烯?JunfengLi,HongLin,Carbon,,–,化学剥离法氧化还原法氧化还原法制备石墨烯分两步:)石墨烯氧化物制备)石墨烯氧化物还原。由于石墨烯氧化物制备工艺相对简单此方法难点集中在石墨烯氧化物还原这一步上。常用的有热还原和化学还原。常用的石墨烯氧化物制备方法为改进的Hummer法。石墨NaNOHSO缓慢加入KMnO冰水水浴搅拌hC油浴h加水,升温至C,继续反应min缓慢加水加入HO,溶液由黑褐变黄石墨烯氧化物制备流程:石墨烯氧化物结构和TEM形貌如何制备石墨烯?化学剥离法氧化还原法热还原DongxingYang,ArunaVelamakanni,Carbon,,,热还原法:石墨烯氧化物在在的Ar和H混合气氛中还原min可得到电导率达到~Sm的石墨烯。WeiGao,LawrenceBAlemany,Naturematerials,:,如何制备石墨烯?XiaochongZhao,HongLin,Carbon,,–,化学还原:以AlI溶液为还原剂将石墨烯氧化物在还原h可得到电导率达到Sm的石墨烯。Fig(a)ThedependenceofelectricalconductivityontheconcentrationofAlIsolutionsrangingfromtoM(b)XRDpatternsofrawgraphite,GO,andRGOreducedwithAlIsolutionsofM(c)AFMimageofRGOfilmslayingonmica化学剥离法氧化还原法化学还原如何制备石墨烯?化学剥离法氧化还原法化学还原化学还原方法很多具体见下表:还原剂还原条件石墨烯电导率(Sm)肼及其衍生物室温或加热~硼氢化钠‐氯化铝以下水浴加热~氢化钠室温~min‐铝粉铁粉室温h锌粉室温超声辅助min维生素CPH‐如何制备石墨烯?化学剥离法氧化还原法化学还原化学还原方法很多具体见下表:(续表)还原剂还原条件石墨烯电导率(Sm)葡萄糖<,h细菌室温还原相对GO提高氢碘酸HI,加热h微波溶剂室温Wmin紫外光氧化钛室温紫外辐照~h‐如何制备石墨烯?气相沉积法XuesongLi,CarlWMagnuson,JAmChemSoc,,–,气相沉积法所用基底主要有金属Ni、Cu、Ru、Ir、Co、Pd、Pt、SiC。通过碳氢化合物在其()或()晶面上的气相沉积得到石墨烯。如何制备石墨烯?气相沉积法AReinaandJKong,Nanoletters():以甲烷为碳源在在Ni基底上气相沉积得到厚度层的石墨烯片。层后石墨烯的尺寸可达到μm。Ni基底是在SiOSi片上沉积一层nm厚的Ni薄膜。如何制备石墨烯?化学合成法前驱体缩合法JinmingCai,PascalRuffieux,Nature,:,石墨烯纳米带:Au()面做基底前驱体单体真空沉积高温后处理含苯环结构聚合成石墨烯带左图为直线型。如何制备石墨烯?石墨烯纳米带:单体缩合时取向的变化可形成不同结构的纳米带左图为波浪型。JinmingCai,PascalRuffieux,Nature,:,化学合成法前驱体缩合法如何制备石墨烯?JinmingCai,PascalRuffieux,Nature,:,石墨烯纳米带:单体三配位时形成交叉型。如果改变卤素数量和位置可以进一步将石墨烯纳米带连接起来。化学合成法前驱体缩合法如何制备石墨烯?化学合成法前驱体自组装法通过含吡咯的前驱体形成两层氧化硅中间夹一层聚吡咯层的结构然后除去氧化硅层就得到了石墨烯。此方法具有较高的可控性。WZHANGandJCUI,AngewChemIntEd:,石墨烯可在哪些领域应用?石墨烯的应用场效应晶体管太阳能电池传感器透明导电膜锂电池超级电容器燃料电池石墨烯可在哪些领域应用?场效应晶体管VirendraSingh,DaehaJoung,ProgressinMaterialsScience()–石墨烯无禁带不能直接用于晶体管等逻辑元件但可以采用将石墨烯制成石墨烯纳米带、石墨烯量子点及双层石墨烯加偏压等方法使石墨烯禁带宽度不再为。所用石墨烯有直接剥离的也有CVD等工艺合成的所用介电材料有SiO、AlO和HfO等。石墨烯基晶体管:石墨烯加偏压成为半导体作为晶体管源电极和漏电极之间的通道。石墨烯可在哪些领域应用?透明导电薄膜VirendraSingh,DaehaJoung,ProgressinMaterialsScience()–石墨烯氧化物(GO)具有较高的红外吸收率但将其高温还原后的石墨烯还原产物(RGO)具有良好的红外通过性。石墨烯可在哪些领域应用?VirendraSingh,DaehaJoung,ProgressinMaterialsScience()–图中给出了高温还原的不同厚度的石墨烯基透明电极的透过率。透明导电薄膜石墨烯可在哪些领域应用?表中给出了石墨烯基透明电极的性能。VirendraSingh,DaehaJoung,ProgressinMaterialsScience()–透明导电薄膜石墨烯可在哪些领域应用?太阳能电池VirendraSingh,DaehaJoung,ProgressinMaterialsScience()–研究表明石墨烯及其氧化物可以作为太阳能电池中的空穴传输层或活性物质。石墨烯可在哪些领域应用?VirendraSingh,DaehaJoung,ProgressinMaterialsScience()–表中给出了石墨烯在太阳能电池中的应用情况主要用于有机太阳电池和染料敏化太阳能电池。太阳能电池石墨烯可在哪些领域应用?传感器VirendraSingh,DaehaJoung,ProgressinMaterialsScience()–由于氧化还原法制备的石墨烯(RGO)的边缘具有不同的功能使其在电化学传感器和生物传感器方面具有广泛应用前景。用RGO制备的场效应晶体管通过其电导率、电容或掺杂物性能的变化对周围化学和生物环境变化做出响应。石墨烯可在哪些领域应用?传感器VirendraSingh,DaehaJoung,ProgressinMaterialsScience()–下图给出了以RGO制备的生物传感器。石墨烯可在哪些领域应用?传感器ZhaoJing,ZhangGuangYu,ChinPhysBVol,No()图中给出了石墨烯制备的一种应变传感器中的应用情况。石墨烯可在哪些领域应用?表中给出了石墨烯在化学和生物传感器中的应用情况。传感器VirendraSingh,DaehaJoung,ProgressinMaterialsScience()–石墨烯可在哪些领域应用?VirendraSingh,DaehaJoung,ProgressinMaterialsScience()–传感器表中给出了石墨烯在化学和生物传感器中的应用情况。石墨烯可在哪些领域应用?石墨烯基高分子复合物VirendraSingh,DaehaJoung,ProgressinMaterialsScience()–石墨烯具有~GPa的断裂强度和~GPa的杨氏模量所以可将其作为添加剂增强高分子材料的机械性能。石墨烯可在哪些领域应用?石墨烯纳米颗粒复合物VirendraSingh,DaehaJoung,ProgressinMaterialsScience()–石墨烯纳米颗粒复合物制备方法有三种:‹先石墨烯化:先制备出还原石墨烯(RGO),然后在其上制备出纳米颗粒‹后石墨烯化:现在石墨烯氧化物(GO)上制备出纳米颗粒然后将GO还原为RGO‹合成石墨烯化:石墨烯的还原与纳米颗粒的制备同步完成。石墨烯可在哪些领域应用?石墨烯纳米颗粒复合物VirendraSingh,DaehaJoung,ProgressinMaterialsScience()–先石墨烯化后石墨烯化石墨烯可在哪些领域应用?石墨烯纳米颗粒复合物VirendraSingh,DaehaJoung,ProgressinMaterialsScience()–合成石墨烯化石墨烯可在哪些领域应用?石墨烯纳米颗粒复合物VirendraSingh,DaehaJoung,ProgressinMaterialsScience()–石墨烯纳米颗粒复合物的合成与应用领域。它们可用在太阳能电池、传感器和其它光电装置。石墨烯可在哪些领域应用?石墨烯纳米颗粒复合物VirendraSingh,DaehaJoung,ProgressinMaterialsScience()–石墨烯纳米颗粒复合物的合成与应用领域。它们可用在太阳能电池、传感器和其它光电装置。石墨烯可在哪些领域应用?石墨烯纳米颗粒复合物VirendraSingh,DaehaJoung,ProgressinMaterialsScience()–石墨烯纳米颗粒复合物的合成与应用领域。它们可用在太阳能电池、传感器和其它光电装置。石墨烯可在哪些领域应用?VirendraSingh,DaehaJoung,ProgressinMaterialsScience()–石墨烯复合物用于储能装置石墨烯复合物的高比表面积、超薄柔性和化学稳定性使其也非常适合用于锂电池。石墨烯可在哪些领域应用?石墨烯复合物用于储能装置VirendraSingh,DaehaJoung,ProgressinMaterialsScience()–石墨烯复合物的高比表面积、超薄柔性和化学稳定性使其非常适合用于锂电池。石墨烯可在哪些领域应用?石墨烯复合物用于储能装置VirendraSingh,DaehaJoung,ProgressinMaterialsScience()–石墨烯复合物的高比表面积、超薄柔性和化学稳定性使其也非常适合用于锂电池。含有表面活性剂的高浓度石墨烯()被用于制备金属氧化物石墨烯薄膜电解质。石墨烯可在哪些领域应用?石墨烯复合物用于储能装置VirendraSingh,DaehaJoung,ProgressinMaterialsScience()–超级电容器具有能量密度高、充放电快和无衰减和爆炸危险的优点。高比表面积的石墨烯复合物可用来制备超级电容器电极同时具有优良的化学稳定性、导电性、导热性和低成本等优点。石墨烯可在哪些领域应用?石墨烯复合物用于储能装置VirendraSingh,DaehaJoung,ProgressinMaterialsScience()–燃料电池具有高能量转化效率和低运行温度的优点可作为移动电源或用于电站。RGO与Pt的复合物可作为燃料电池的阳极可以最大化Pt的催化性能同时提高了反应物的传质能力。未来发展展望由于石墨烯具有优良的电学、力学和光学性能使其将来在各种工程领域具有广阔前景。作为一种新型的二维材料需要人们充分发挥想象力拓展其应用领域和应用形式。

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