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石墨烯

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石墨烯(graphene)是一种二维碳质料,是单层石墨烯、双层石墨烯和少层石墨烯的统称。石墨烯一向被以为是假定性的构造,没法零丁稳固存在,直到2004年,英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·盖姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫,胜利从石墨中星散出石墨烯,证明它能够零丁存在,两人也因而配合得到2010年诺贝尔物理学奖。

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石墨烯是什么

一、石墨烯简介

  石墨烯是从石墨质料中剥离出来,是由单层碳原子经电子轨道杂化后构成的蜂巢状二维晶体,厚度仅0.335nm。既是当今最薄的质料,也是最强韧的质料,断裂强度比最好的钢材还要下200倍。同时它也有很好的弹性,拉伸幅度能到达本身尺寸的20%。

  石墨烯是从石墨质料中剥离出来的二维碳质料,根据碳原子层数可分为单层石墨烯、多层石墨烯及石墨烯微片。个中单层石墨烯是指碳原子仅仅正在二维平面以六角蜂巢构造分列组成的严厉单层碳质料,是一种没有能隙具有线性能量散布的半导体,因为电子能够正在晶体中自在挪动而付与单层石墨烯非常好的导电性。

  凭据中国石墨烯家当技术创新计谋同盟尺度,单层石墨烯指由一层碳原子组成的二维碳质料。石墨烯是由不多于10层的单层石墨烯周期性严密聚积组成。石墨烯质料泛指取石墨烯相干的、不多于10个碳原子层的二维碳质料。

  石墨烯导电性强、可弯折、机器强度好,潜伏用处包孕建造珍爱涂层、通明可弯折电子元件、超大容量电容器等。因为石墨烯是现在世界上最薄、最坚固、导热性及导电性最好的碳原子纳米质料,被誉为是推翻将来的一种战略性新兴质料,如果说20世纪是单晶硅的世纪,那么21世纪可能会是石墨烯的世纪。石墨烯具有极强导电、导热等机能,将来应用领域异常普遍,那也引发了环球各界高度存眷。

二、石墨烯的特性

  1、稳定性

  石墨烯中碳原子均由共价键衔接,共价键的键能是相对对照下的,相对份子间作用力、氢键、金属键等,共价键不容易被损坏。因为石墨烯的构造实在是一个大的离域π键,其C-C键的强度要高于金刚石的单键,我们也能够从热力学的角度看到石墨烯的熔点为3850℃阁下,金刚石的熔点为3550℃阁下,能够发明,石墨烯比金刚石越发稳固。

  2、导电性

  石墨烯最大的特性是个中电子的活动速度到达了光速的1/300,远远凌驾了电子正在一样平常导体中的活动速度。那使得石墨烯中的电子的性子和相对论性的中微子异常类似。

  石墨烯的导电机理:因为石墨烯一切原子均到场了离域,所以其全部片层高低两侧电子皆能够自在挪动。而且因为共价单键的稳定性,石墨烯不会泛起某位置碳原子的缺失或被纯原子交换,包管了大π键的完整性,电子正在个中挪动时不会遭到晶体缺陷的滋扰,得以高速传导,因而石墨烯有着超强的导电性。

  3、透明性取不透明性

  因为石墨烯是薄弱片状况的,光子固然不克不及穿透碳原子核,然则,能够穿透碳原子核之间的宽大的空间,以是,石墨烯是一种通明的物资,当几个石墨烯份子层叠加在一起时,因为碳原子核分列有序,光很容易穿透方队中的间隙显现通明状况。

  只管只要单层原子厚度,但石墨烯有相称的不透明度:能够吸取约莫2.3%的可见光。而那也是石墨烯中载荷子相对论性的表现。

  4、机器特性

  石墨烯之所以硬,是由于碳原子或的绕核电子只是正在碳原子核的径偏向面上存在着和活动着,碳原子核南北极的轴方向上是没有绕核电子的,就是说,石墨烯表面上坐的或分列的都是原子核,若是内部物资取它撞击,撞击的不是绕核电子而是间接撞击正在原子核上,以是,石墨烯外面显现的异常硬。

 

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石墨烯的制备

一、机器剥离法

  经由过程施加外力损坏石墨的层间范德华力,从而从石墨上间接撕推下片层即成为石墨烯,大概将石墨取另一种固体停止摩擦也能够剥离出石墨烯。经由过程机器剥离这种方法法制备的石墨密,晶体结构对照完好,物理性能相对优秀。然则产量低、人力消耗大。此种要领初次证实单层石墨烯的稳固存在,成为 2010年诺贝尔物理学奖的获奖来由。

二、溶剂剥离法

  将少许的石墨疏散正在有机溶剂中,应用肯定强度的超声波去损坏石墨层间的范德华力,以轻易溶剂份子能够渗透到石墨各层中,然后正在猛烈的超声感化下发作收缩,以实现石墨的剥离。这种方法能够消费下质量的石墨烯,不会正在石墨烯外面引入其他的缺点,并且借能够实现规模化消费,更轻易其正在电子范畴的运用。然则因为所需求有机溶剂的挑选有肯定的局限性,使得某些复合材料的制备遭到限定,因而使其不克不及普遍的应用于化学范畴。

三、气相堆积法

  这种方法是将通入的甲烷气体先加热至 1000℃,然后敏捷降至室温前提,从而正在镍层外面堆积出约六到十层的石墨烯。这种方法制备出的石墨烯表面积大、质量下、机能优秀,并且借能够实现大规模的制备。但与此同时,这种方法制备本钱下,工艺前提对照庞大,可重复性对照易,这些瑕玷限定了此种要领的普遍运用。

四、碳化硅内涵发展法

  这种方法是加热单晶碳化硅,从而正在单晶面上剖析出石墨烯片层的一种要领。此种要领得到的单层大概是双层石墨烯质量比较好,构造对照完好。然则它的制备工艺要求对照下,不容易实现范围的制备,也不轻易获得匀称的膜层。

五、氧化石墨烯还原法

  这种方法的根基历程是:先制备出氧化石墨烯,然后氧化石墨烯正在肯定还原剂的感化下被复原成为石墨烯。而氧化石墨烯的制备道理就是石墨正在强酸和强氧化剂的配合感化下先构成石墨层间化合物,此层间化合物会再正在过量强氧化剂的感化下发作深度氧化回响反映,进而水解获得氧化石墨,最初氧化石墨经由过程超声感化大概长时间搅拌损坏份子间作用力而转化为氧化石墨烯。

  氧化石墨烯是石墨烯的一种派生物,和石墨烯的构造根基雷同,只是正在表面上和边沿处衔接有大量露氧基团:羟基,环氧基,羧基和羰基。这些露氧官能团的引进增添了氧化石墨烯的水溶性,那正在制备石墨烯基复合材料方面起着至关重要的感化。氧化石墨烯能够正在早期吸附离子大概是份子,再经由过程其他的工艺历程既能够获得幻想的复合材料。

 

石墨烯的运用

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