三维石墨烯的制备.ppt

三维石墨烯的制备 * 一、石墨烯概述 二、石墨烯的性质 三、石墨烯的制备 四、三维石墨烯的制备 五、三维石墨烯的应用 一、石墨烯概述 1.石墨烯是由碳原子通过sp2杂化所构成的单原子层二维纳米材料，它具有蜂窝状的点阵结构，与石墨的单原子层类似。 2.石墨烯看做构成碳材料的基本结构单元。 3.石墨烯的研究主要集中在电学性能、力学性能、热学、量子力学、生物兼容等方面。 4.石墨烯的产量和质量仍然有待于提升，优化制备过程，研究更加绿色、简单和成本低廉的制备方法仍是目前石墨烯研究领域的重要挑战。 二、石墨烯的性质 2.1电学性能 1.石墨烯是一个良好的电荷载体，有望成为下一代的半导体材料。 2.石墨烯属于零带隙的半导体，可以称为半金属，具有金属性。 3.石墨烯在室温下在SiO2中载荷子的迁移率可达15000cm2/(V·s) 。 2.2光学性能 1.石墨烯具有很高的透光性。 2.改变费米能级可以改变石墨烯的光学跃迁 。 3.石墨烯具有光致发光特性 。 2.3力学性能 1.石墨烯具有高的弹性杨氏模量和抗断强度。 图1. 纳米探测测量石墨烯机械强度示意图 2.4热学性能 1.石墨烯作为一种新型的电子设备材料，具有优越的热学性能。 图2. 拉曼光谱法测量悬浮石墨烯热导率示意图 三、石墨烯的制备 3.1机械剥离法 原理：机械剥离法是利用机械能破坏石墨片层间脆弱的键合二获得单层的石墨烯。 1. 首先在1mm 厚的石墨表面刻蚀出许多5μm厚的台阶。 2.然后将使用透明胶带反复撕扯，使用丙酮将薄片转移到硅基底上，即可得到单层或寡层石墨烯。 。 步骤： 3.2化学还原法 1.Brodie法 使用发烟硝酸和氯酸钾对石墨进行氧化 3.Hummers法 2.Staudenmaier法 使用了浓硝酸和浓硫酸的混合物与氯酸钾 原理：化学还原法使用强酸和强氧化剂将石墨氧化成氧化石墨烯，再将氧化石墨烯还原得到石墨烯 使用了浓硫酸、硝酸钾和高锰酸钾对石墨进行氧化 3.2化学还原法 图3. Hummers法制备石墨烯过程示意图 还原剂：水合肼、乙二胺、抗坏血酸、柠檬酸钠、L-光膀氨酸、氨水蒸汽、氢碘酸 优点：成本低廉、效率高、适合工业化批量生产石墨烯 3.3化学气相沉积法 1.在180℃下将樟脑蒸发热解，在700~800℃下用氩气作为承载气体使热解的樟脑进入放有镍板的CVD炉中。 步骤： 2.然后使其自然冷却到室温，就可以在镍基底上得到石墨烯。 缺点：产量小，能耗高，所制备的石墨烯不易分散于水中，难以满足工业化生产高质量石墨烯的要求 优点：制备的石墨烯连续、无缺陷、尺寸大、性能优异、甚至可以控制所制备的石墨烯的形状，在电子器件领域有广阔的应用前景 3.4外延生长法 原理：单晶碳化硅的(0001)面上分解出石墨烯的 1.具体过程是对碳化硅进行氧化或用氢气刻蚀； 2.然后将其置于超高真空中，用电子束轰击加热到 1000℃，同时去除氧化物。用俄歇电子能谱检测碳化硅表面，确定氧化物被完全祛除； 4.最后是样品加热到1250~1450℃保温1~20min，便可形成片层数量极少的石墨层。 步骤： 缺点：难以制备出较大尺寸的石墨烯，制备过程所需温度高、对真空度要求高、成本高并且所制备的石墨烯成膜不均匀 四、三维石墨烯的制备 GO在有机凝胶中的胶结 GO在水凝胶中的胶结 GO在气凝胶中的胶结 四、三维石墨烯的制备 模板CVD法 冰模板法 SiO2模板法 五、三维石墨烯的应用 1.超级电容器 a.大的比表面积、高的电导率和高的化学稳定性使得石墨烯成为电化学双电层电容器（EDLC）的很具潜力的电极材料。 b.石墨烯的堆叠使其2600m2·g-1的比表面积未能完全利用，以及与之对应的550F·g-1的固有比电容亦未能充分发挥。 c.3D石墨烯增大了电极的可及比表面积、提高了石墨烯网络的电导率并且具有利于电解液中离子传输的多孔通道。 五、三维石墨烯的应用 a.石墨烯由于其高的电导率、大的比表面积、高的化学稳定性以及对催化剂颗粒强的附着力被认为是燃料电池催化剂应用的一个强有力的候选者。 b.石墨烯或GO表面大量的官能团可以为催化剂纳米颗粒的成核和附着提供更多的机会。 2.燃料电池 五、三维石墨烯的应用 a.三维结构的石墨烯和氧化石墨烯拥有巨大的比表面积，因而能够提供大量的吸附活性位点；这种多孔材料具有非常大的孔隙率，因此具有巨大的吸收空间。 b. 3D石墨烯材料具有很好的气体吸附能力，并且被证明是去除水中污染物（如有机溶剂、油、重金属离子和染色体）的有效吸附和吸收材料。因此石墨烯3D材料可以用于吸附空气中的有害气体以及水资源净化 。 3.环境治理 五、三维石墨烯的应用 a.石墨烯由于可以将氢分子吸附在两侧因而被期待具有很高的储氢容量。 a.基于石墨烯的多孔结构通过改变自身的电导性、形状和体积