石墨烯项目调研报告

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1、石墨烯项目调研报告2016年1月13目录一、石墨烯概述21.1石墨烯定义21.2石墨烯的性能31.3石墨烯的制备方式41.3.1自下而上法41.3.2自上而下法61.4石墨烯基材料的合成91.4.1石墨烯的功能化91.4.2石墨烯基复合材料的制备91.5石墨烯的应用101.5.1石墨烯在不同领域中的应用101.5.2石墨烯基材料在催化领域的应用1113一、石墨烯概述1.1石墨烯定义石墨烯（Graphene）是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，是只有一个碳原子厚度的二维材料。石墨烯可以看做是单质碳材料的基元，富勒烯和碳纳米管都可以看成是由单层的石墨烯依照某种方式卷成的

2、，而石墨正是由很多层石墨烯堆叠而成。石墨烯过去一直被认为是假设性的结构，无法单独稳定存在。直到2004年，英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·盖姆（AndreGeim）和康斯坦丁·诺沃肖洛夫（KonstantinNovoselov）以简单的胶带机械剥离的方法获得了石墨烯[1]，理论方面取得了巨大成果，二人因此共同获得了2010年诺贝尔物理学奖。单层石墨烯仅有一个原子的厚度，为0.335纳米，1毫米的石墨大约包含300万层的石墨烯，是目前已知的最薄的一种材料。国内对于石墨烯材料的定义标准为：碳原子层在1-10层的石墨烯及相关衍生物统称石墨烯材料，超过10层归属于石墨范畴。之所以以此定义是因为碳原子

3、层在1-10层的材料还能保留一部分石墨烯的特殊性能，而10层以上的材料几乎丧失石墨烯的高性能，而更趋于石墨。（a）二维石墨烯（b）三维石墨（c）一维碳纳米管（d）零维富勒烯图1.石墨烯是二维原子晶体13图2.诺沃肖洛夫团队用简单的胶带剥离法得到石墨烯1.2石墨烯的性能石墨烯是人类已知的最薄、最坚硬的纳米材料；在纳米级别上，强度是钢铁的20倍，但同时具有20%拉伸不断裂的柔性；它几乎是完全透明的，只吸收2.3%的光；导热系数高达5300W/m·K，高于碳纳米管和金刚石，常温下其电子迁移率超过15000cm2/V·s，高于纳米碳管或硅晶体高，而电阻率只约10-8Ω·m，比铜或银更低，为世上电阻率

4、最小的材料。其优于金属单体和半导体的高导电性使其能够成为极好的导电材料；高导热性使得石墨烯薄膜能够作为热界面材料使用；除此之外，石墨烯的高透光性、高比容量、高比表面积和高致密性使其成为触摸屏、锂电池负极材料、超级电容、太阳能电池和渗透膜等的理想材料。表1.石墨烯具有最强性能性能分类简介下游应用高导电性电子和空穴的有效质量都等于零，电子运动速度为光速的1/300，载流子迁移率15,000cm2/V-1.s-1，优于金属单体和半导体，是目前已知迁移率最高的锑化铟的2倍，超过商用硅片迁移率10倍。电阻率约10-6Ω·cm，比铜和银低，为目前世上电阻率最小的材料。导电材料、导电添加剂、集成电路、芯片

5、高导热性导热系数高达5300W/m·K，高于碳纳米管和金刚石，比所有材料导热性都强导热材料/热界面材料高强度130GPa，已知测量过的强度最高的物质。它的强度比钢铁还要高200倍，具有1TPA（150,000,000psi）时的拉伸模量（刚度）机械性能材料高柔性拉伸20%不断裂可折叠显示器、电子纸高透光性几乎是完全透明的，只吸收2.3%的光触摸屏高比容量石墨370mAh/g；石墨烯540mAh/g；石墨烯+纳米管730mAh/g锂电池负极材料高比表面积层比表面积2630m2/g，普通的活性炭1500m2/g超级电容，传感器高致密性任何气体不能通过，~0forHe渗透膜除了上述卓越的常规性能外

6、，石墨烯在特定条件下还会展现特殊性能，对于13自旋电子学、超速计算机、大规模IC等领域都具有重要意义。但需要注意的是，石墨烯的大部分高强性能是基于纳米级层面的测算，由于片状堆积或结晶缺陷将会使石墨烯失去大部分的性能，如何将微观级别的石墨烯组装成为宏观有序材料，并保持纳米级的性能，是其未来发展的关键。1.3石墨烯的制备方式石墨烯自从被发现以来，引起物理学家、化学家的瞩目，成为近期研究上的热点。然而，要将此材料推向实际应用，必须要发展出一个大规模且高品质合成石墨烯的制备方法。目前，石墨烯制备方法主要分为：自下而上法（有机小分子或含碳物→石墨烯）和自上而下法（石墨或具有石墨结构的碳→石墨烯）。1.

7、3.1自下而上法1.3.1.1有机合成法稠环芳烃是碳原子通过杂化而形成的平面结构，被认为是二维石墨烯的片段，将稠环芳烃通过一定方法聚合在一起，即可构成石墨烯[30-32]。图3.有机合成法制备石墨烯的示意图有机合成法为石墨烯形状、大小和边缘结构的可控制备提供了美好的前景，并且制备的石墨烯纳米带较窄，有利于石墨烯在半导体工业中的应用。但这种方13法也面临着至待解决的问题，如由于溶解度的限制，制备的石墨烯长度较短