石墨烯的制备方法及应用研究
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摘 要：石墨烯是一种由碳原子以sp?杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的二维碳纳米材料，是目前已知的最薄也是最坚硬的纳米材料，具有超薄、超稳定、超导性、超高强度等优异特性。本文介绍了石墨烯的几种制备方法及其特点，并阐述了石墨烯在电子器件、纺织、电池、电梯等领域的应用情况。
关键词：石墨烯；制备特点；发展应用
DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.13.009
1 引言
石墨烯是一種由碳原子构成的单层片状结构的新型碳材料，是目前已知的最薄的也是最坚硬的纳米材料，具有结构稳定、超薄、超强导电性、超高强度、优异的韧度等多种优异性能，被誉为“黑金”、“新材料之王”，广泛应用在电子信息、生物医学、航天航空、油墨喷涂、纺织、储能等诸多领域。自从石墨烯问世以来，全球就掀起了研究和开发石墨烯的热潮，但石墨烯产业化还有待进一步研究，各国都在寻求石墨烯产业的途径，因此石墨烯成为我国企业创新，迅速发展的新增长点。
2 石墨烯的制备
石墨烯的制备方法多种多样，但是由于技术的限制，大部分厂家不能生产出大面积高质量的石墨烯制品。下面介绍几种石墨烯的制备方法。
（1）机械剥离法。机械剥离就是用机械方法得到单层石墨烯，即利用胶带剥离高定向热解石墨将石墨烯片粘附在胶带上，经过系列的操作，制得石墨烯薄片。这种方法制取的石墨烯虽然成本较低，但不均匀，产量低，清洁度不高，因此也限制了他的应用，不能进行工业化生产。
（2）氧化还原法。氧化还原法是工业生产中最普遍的一种制备方法，它是将机械力剥离法的固态剥离这种想法用于在液态的环境中进行。这种方法制备的石墨烯是粉末状态，缺陷大，但可进行大规模生产，并且可与别的物质复合或改性。这种方法具有较高的成本，循环周期短，但产率却较高，因此被广泛用于石墨烯复合材料的制备中。
（3）气相沉积法。气相沉积法是通过化学反应的方式，使反应物在气态环境下形成固态沉积物的一项技术。就是在先将加热升温后的固体无机材料凝聚在衬底上再降温就会生成石墨烯。用这种方法制备石墨烯主要受前驱体，环境条件（温度、时间、压强）、衬底这三个因素影响。这种方法限制少，简单可行，但制备过程中伴有杂质生成，能耗及成本高，且需要严格的反应条件和环境因素，目前不能大规模的应用于工业生产。
（4）电弧放电法。电弧法是以惰性气体为缓冲物，使石墨电极放电，石墨蒸发为碳原子而制得到石墨烯。这种方法不使用金属催化剂，是制备石墨烯的一项重大突破。利用这种方法制得的石墨烯缺陷较少，但耗电能大，纯度低，尺寸小，很难进行产业化制备。
3 石墨烯的应用领域
（1）电子器件领域。在当今电子时代，光电子学器件如显示屏，触控面板，发光二极管等要求材料具有较低的面电阻和较高的透射率。目前使用的半导体材料掺杂了氧化铟，氧化锌或者他们的化合物，这些导致了产量低、易碎、化学性质不稳定等问题的出现。同时石墨烯独特的二维晶体结构，碳原子间以σ键连接及未成键的电子形成大π键，这赋予了石墨烯优异的力学性能、导电性和导热性。
这些优异性能使石墨烯在电子器件领域具有广阔的应用前景，广泛应用于太阳能电池、有机发光二极管、激光器、光调制器、光探测器等电子器件领域。
（2）纺织领域。石墨烯片层的纳米粒子结构，不存高聚物的分子链，无法直接制备石墨烯纤维。将石墨烯纳米粒子引入到聚合物纤维基体中，经过化学反应制成一种新型复合纤维。目前开发了石墨烯/玉米芯纤维、石墨烯/粘胶、石墨烯/功能化海藻等多种复合纤维。石墨烯的引入，改善聚合物纤维的强度、耐热、耐晒、抗静电等诸多性能，提高纤维的整体性能。石墨烯复合纤维通过融合、浸润、沉积、改性、涂覆等方法进行改性，开发了新型功能性纺织品如抗菌纯棉织物、石墨烯阻燃织物等。
石墨烯与纺织品有效结合，即保持了纺织品的基本性能，又具有石墨烯的独特性能。
（3）电池领域。理想状态的石墨烯是真正的表面性固体，其所有碳原子都暴露在表面，具有大的比表面积、优良的导电和导热性的独特优势，保证了良好的电子传输通道和稳定性，降低了电池极化和能量损失。石墨烯直接作为锂离子电池负极制得的电池器件性能不稳定，如短路、大电流充放电时候，容易导致电池性能下降，存在爆炸的危险等情况。
石墨烯和其他材料进行复合制作成石墨烯复合负极材料是现在锂电池研究的方向和热点，也是今后的发展趋势。由于石墨烯对于电池性能有诸多提升作用，必将拉动石墨烯在电池领域的发展，促进分享新能源汽车行业的增长。
（4）太空电梯。早在1970年，科学家就提出制造“太空电梯”的概念。各国都一直在研究电梯电缆的材料，未能找到，但石墨烯的发现改变了这一现状。石墨烯的特定结构决定了它是目前导电性最优的材料。利用石墨烯和碳纳米管制成的缆带，具有较高的稳定性和可靠性，用它制成的电缆导电性和强度都要远远高于铝缆、铜缆。太空电梯的运行离不开供电装置，而石墨烯电池能保证源源不断的电力；虽然存在一定的技术瓶颈但相信随着科技发展，因为石墨烯的出现，也许不久太空电梯就能成为现实。
4 结语
近年来，石墨烯因自身的优异性被业界广泛关注。石墨烯的制备依然有很多问题需要解决，但随着现代科技发展和石墨烯制备、合成和改性技术的不断进步，这些问题将迎刃而解，将实现石墨烯在航空航天、电子信息、医疗卫生、纺织等众多领域的应用。
参考文献：
[1]马丹丹，郭敏，段庆锋.石墨烯应用领域技术热点与技术机会[J].上海纺织科技，2018，46（09）：1-4.
[2]暴宁钟，白凤娟，何大方.石墨烯新材料发展现状与研发应用挑战[Z].公信论坛，2018（08）：47-54.
[3]赵洲.石墨烯的制备及功能化研究进展[J].皮革与化工，2018，35
（06）：24-28.
[4]陈彬.石墨烯制备方法研究进展[J].当代化工研究，2018（11）：
164-165.
[5]田民波.材料学概论（第一版）[D].清华大学出版社，2015.
[6]马永祥.实石墨烯的研究现状及发展趋势[J].科技创新导报，2018
（26）：98-99.
[7]屠海令，赵鸿滨，魏峰等.新型传感材料与器件研究进展[J].稀有金属，2018（28）：283-305.
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