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石墨烯的特性、應(yīng)用與制備

2024/12/20 9:22:55 作者:電離式

介紹

石墨烯(Graphene,Go),指的是單層石墨,由sp2軌道碳原子雜化形成強(qiáng)共價(jià)鍵排列在六角形晶格中的蜂窩狀晶體,六角形幾何結(jié)構(gòu)使石墨烯結(jié)構(gòu)非常穩(wěn)定。每個(gè)層間碳原子通過(guò)sp2雜化與周?chē)奶荚咏Y(jié)合,并貢獻(xiàn)一個(gè)非成鍵電子形成一個(gè)大的π鍵,使電子可以在層間自由移動(dòng)。位于2s,2px,2py三個(gè)軌道的電子會(huì)在不同的原子間形成具有三個(gè)夾角為120°的共價(jià)鍵σ,從而構(gòu)成平面三角形的結(jié)構(gòu),且鍵長(zhǎng)為1.42 ?。石墨烯的邊緣可以被描述為扶手椅(armchair)或鋸齒狀(zigzag),兩種邊緣類(lèi)型導(dǎo)致不同的電子和磁性能。

石墨烯.jpg

石墨烯

能帶結(jié)構(gòu)

石墨烯來(lái)源于 A,B 兩個(gè)子晶格,每一個(gè)晶格中都包含等價(jià)的碳原子位點(diǎn),導(dǎo)致特殊的電子躍遷。對(duì)于單層石墨烯,根據(jù)緊束縛模型結(jié)果得到的電子能帶結(jié)構(gòu),Go的價(jià)帶和導(dǎo)帶在其布里淵區(qū)的狄拉克點(diǎn) K 和 K'處接觸形成錐形谷。在狄拉克點(diǎn)附近,載流子具有線性色散關(guān)系?? = ???????,因此可稱為無(wú)質(zhì)量狄拉克費(fèi)米子。Go中電子的速度為~ 106 m/s,約為光速的 1/300。雙層石墨烯也是一種零帶隙半導(dǎo)體,但其電子色散在狄拉克點(diǎn)附近不是線性的。對(duì)于超過(guò)三層的石墨烯,能帶結(jié)構(gòu)變得更加復(fù)雜,價(jià)帶和導(dǎo)帶開(kāi)始重疊[1]。

應(yīng)用

石墨烯具有優(yōu)異的光學(xué)、電學(xué)、力學(xué)特性,在材料學(xué)、微納加工、能源、生物醫(yī)學(xué)和藥物傳遞等方面具有重要的應(yīng)用前景,被認(rèn)為是一種未來(lái)革命性的材料。和Go有關(guān)的材料廣泛應(yīng)用在電池電極材料、半導(dǎo)體器件、透明顯示屏、傳感器、電容器、晶體管等方面。Go具有許多特別適合傳感器應(yīng)用的特性,包括其可調(diào)的二維組裝結(jié)構(gòu)、較高的靈活性、較輕的重量、優(yōu)異的機(jī)電性能、極高的輸運(yùn)性能和顯著的光電特性。

制備

目前,石墨烯的制備方法有機(jī)械剝離法、化學(xué)氣相沉積(CVD)法、氧化還原法、直接液相剝離法和切割碳納米管法等。其中機(jī)械剝離法、CVD法、氧化還原法和碳化硅外延生長(zhǎng)法最為常用。氧化還原法是最容易實(shí)現(xiàn)大規(guī)模石墨烯工業(yè)化生產(chǎn)的方法,其是通過(guò)使用硫酸、硝酸等化學(xué)試劑及高錳酸鉀、雙氧水等氧化劑將天然石墨氧化。該方法使用硫酸、硝酸等強(qiáng)酸,存在較大的危險(xiǎn)性,又須使用大量的水進(jìn)行清洗,帶來(lái)較大的環(huán)境污染,不易回收。采用氫氟酸代替濃硫酸,酸性廢液易回收。

具體步驟:將800g六氟硅酸鉀固體粉末和200g六氟錳酸鉀氟化鹽固體粉末混合均勻溶解于45000 mL氟化氫溶液(所述氟化氫?吡啶溶液中,HF的質(zhì)量份數(shù)為70%)中,經(jīng)攪拌得到混合溶液;將混合溶液轉(zhuǎn)入水熱反應(yīng)釜中,在25℃溫度下保持72h,得到剝離液;將100g鱗片石墨加入至所述剝離液中,在水熱反應(yīng)釜中保持溫度25℃,攪拌72h,然后冷卻至5℃;在冷卻至5℃的溶液中加入適量NMP,防止團(tuán)聚,用于回收氟化鹽溶液并保護(hù)Go;將所得溶液進(jìn)行離心5min,以分離石墨烯;將離心后的石墨烯用適量的溶劑(如純水或乙醇)進(jìn)行洗滌,(先用純水洗兩次,再用乙醇洗一次)通??梢灾貜?fù)幾次,以確保去除殘留的雜質(zhì)。每次洗滌后再次進(jìn)行離心分離,直到洗滌液澄清為止。使用超聲分散設(shè)備對(duì)洗滌后的石墨烯分散液進(jìn)行超聲分散,得到均勻的Go分散液;將Go分散液轉(zhuǎn)移到真空干燥箱中。在溫度100℃下,干燥24h,得到Go粉體,即所述石墨烯[2]。

參考文獻(xiàn)

[1]張盟.石墨烯的制備及其應(yīng)變傳感性能研究[D].天津理工大學(xué),2023.

[2]張凌睿,張家松.一種石墨烯的制備方法[P].湖南省:CN202410939835.7,2024-09-24.

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