石墨烯在电分析化学中的应 年级

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1、石墨烯在电分析化学中的应用年级：2010级姓名：李秋娟学号：201073010228摘要：评述了石墨烯的现状及其优点，总结了石墨烯在电化学领域、锂离子电池中、在太阳能电池和燃料电池中的应用，并对其未来应该关注的研究领域进行了展望！关键词：石墨烯；石墨烯基复合材料;锂离子负极材料2004年英国曼彻斯特大学的Geim和Novoselov教授等制备出了石墨烯,他们强行将石墨分离成较小的碎片并从碎片中剥离出较薄的石墨薄片,然后用一种特殊的塑料胶带粘住薄片的两侧,撕开胶带,薄片也随之一分为二,不断重复。这一过程,就可以得到越来越薄的石墨薄片，其中部分样品仅由一

2、层碳原子构成石墨烯。在发现石墨烯以前，理论和实验科学家们都认为完美的二维结构无法在非绝对零度下稳定存在，但是单层二维结构石墨烯却能在实验中被制备出来，这一实验成即在物就立理、化学、材料科学等领域引起了震撼【1】。自此，在全世界范围内掀起了一股研究石墨烯的新的热潮，相继发现：石墨烯是单层碳原子紧密堆积而形成的炭质新材料，厚度只有0.335nm，是目前世界上最薄的二维材料，其Ｃ－Ｃ键长0.142nm［２］。石墨烯具有优异的力学、热学和电学性能：强度达130GPa，比世界上最好的钢高100倍，是目前强度最高的材料；热导率可达5000Ｗ·ｍ－１·k－１，是金

3、刚石的３倍［3］；石墨烯载流子迁移率高达15000cm２·Ｖ－１·Ｓ－１，是商用硅片的10倍以上［4］。石墨烯还有超大的比表面积（2630ｍ２／ｇ）［5］、室温量子霍尔效应［6］和良好的铁磁性［7］，是目前已知的在常温下导电性能最好的材料，电子在其中的运动速度远超过一般导体，达到了光速的1/300［8］。并且，与碳纳米管相比,石墨烯有完美的杂化结构,大的共轭体系使其电子传输能力很强,而且合成石墨烯的原料是石墨,价格低廉,这表明石墨烯在应用方面将优于碳纳米管。与硅相比,石墨烯同样具有独特优势:硅基的微计算机处理器在室温条件下每秒钟只能执行一定数量的操作

4、,然而电子穿过石墨烯几乎没有任何阻力,所产生的热量也非常少。另外,石墨烯本身就是一个良好的导热体,可以很快地散发热量。由于具有优异的性能,如果由石墨烯制造电子产品,则运行的速度可以得到大幅提高。速度还不是石墨烯的唯一优点。硅不能分割成小于10nm的小片,否则其将失去诱人的电子性能;与硅相比,石墨烯被分割时其基本物理性能并不改变,而且其电子性能还有可能异常发挥。因而,当硅无法再分割得更小时,比硅还小的石墨烯可继续维持摩尔定律,从而极有、可能成为硅的替代品推动微电子技术继续向前发展［9］。石墨烯的结构稳定性与电学性质石墨烯是由单层碳原子紧密堆积成二维蜂窝

5、状晶格结构的一种碳质新材料，基本结构单元是稳定的苯六元环。石墨烯结构非常稳定。石墨烯中各碳原子之间的连接非常柔韧，当施加外部机械力时，碳原子面发生弯曲变形，从而使碳原子不必重新排列来适应外力，保持了结构稳定，作为sｐ２杂化碳质材料基元结构的单层石墨,石墨烯是由碳六元环组成的二维２Ｄ周期蜂窝状点阵结构它可以翘曲成零维０Ｄ的富勒烯,卷成一维１Ｄ的碳纳米管CＮＴ或者堆垛成三维３Ｄ的石墨,石墨烯这种稳定的晶格结构使其具有异常优异的导电性,石墨烯的价带π电子和导带π*电子相交于费米能级处Ｋ和Ｋ’点,是能隙为零的半导体在费米能级附近其载流子呈现线性的色散关系,石

6、墨烯中的电子在轨道中移动时,不会因晶格缺陷或引入外来原子而发生散射,由于原子间作用力十分强,在常温下,即使周围碳原子发生挤撞石墨烯中电子受到的干扰也非常小,石墨烯是目前已知导电性能最出色的材料,石墨烯最大的特性是其中电子的运动速度达到了光速的1300远远超过了电子在一般导体中的运动速度,石墨烯特殊的结构使其具有完美的量子隧道效应、半整数的量子霍尔效应等一系列性质。石墨烯也具有良好的力学、光学和热学性质、具有突出的导热性能300Ｗ/m.Ｋ和力学性能1060ＧＰａ,以及室温下高速的电子迁移率15000ｃm2/Ｖ.ｓ。石墨烯是真正的表面性固体、理想的单层石

7、墨烯具有超大的比表面积，其理论比表面积高达2600m2/ｇ，而单层石墨烯的比表面积为2630m2/ｇ，大大超过目前应用于电化学双层电容器中的活性炭的比表面积由于石墨烯大的表面体积比和独特的高导电性［10］。因此，由于石墨烯具有上述优异的性能，使其在电分析化学有了很好的应用前景用前景。1石墨烯材料在电化学领域中的应用在超级电容器中的应用：碳质材料是最早也是目前研究和应用得很广泛的超级电容器电极材料，自成功制备出石墨烯以来人们开始探究这种ｓp２结构的碳质材料在超级电容器中应用的可能性merylD.Stoller等合成了化学改性石墨烯,具有１个Ｃ原子的厚度

8、,并在超级电容电池中测试了其性能,结果显示,材料在无机电解液及有机电解液中的比容量分别为135Ｆ/ｇ和99Ｆ