影响膨胀石墨体积的制备工艺研究

科研开发

化工科技，２０１１，１９（５）：３５～３８

ＳＣＩＥＮＣＥ　＆ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ　ＩＮ　ＣＨＥＭＩＣＡＬ　

ＩＮＤＵＳＴＲＹ收稿日期：２０１１－０６－

２８作者简介：郭　垒（１９８４－）

，男，山东淄博人，南京理工大学化工学院硕士研究生，研究方向为膨胀石墨的制备及其相关性能研究。＊通讯联系人。

影响膨胀石墨体积的制备工艺研究

郭　垒，张大志，徐　铭＊，胡秀娟

（南京理工大学化工学院，江苏南京２１００９４

）摘　要：采用ＨＣｌＯ４／Ｈ３ＰＯ４／ＣｒＯ３氧化插层体系制备低温可膨胀石墨，通过对反应物用量、反应温度及反应时间、

水洗温度及水洗程度、干燥温度、膨胀温度进行研究，确定了膨胀石墨体积的影响因素。结果表明：反应物ｍ（Ｃ）∶ｍ（ＨＣｌＯ４）∶ｍ（Ｈ３ＰＯ４）∶ｍ（ＣｒＯ３）＝１∶３．０∶１．５∶０．８，反应温度４５℃，反应时间７０ｍｉｎ，于０～２０℃水洗至ｐＨ＝５～６，在６０℃干燥箱中干燥制得的可膨胀石墨，在膨胀温度３００℃时，膨胀石墨体积即可达到３５０ｍＬ／ｇ。在膨胀温度５００℃时，可膨胀石墨完全膨胀，最大膨胀体积５５０ｍＬ／ｇ

。关键词：可膨胀石墨；影响因素；膨胀石墨体积

中图分类号：ＴＱ　１２７．１ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００８－０５１１（２０１１）０５－００３５－

０４ 可膨胀石墨是碳原子层与插入物原子相互作

用形成的一种新型的原子、分子尺度上的复合材

料［１］

。可膨胀石墨在柔性石墨、吸油材料、医用敷

料、阻燃剂、高能电池与电极、载体材料、军事等领域，具有广阔的应用前景。目前，多波段发烟剂、膨胀性阻燃剂、消防灭火剂等领域希望可膨胀石墨在低温下具有较高的膨胀容积。对于其它领域，

低温下即可膨胀在降低制造膨胀石墨的能耗，膨化设备和工艺条件要求方面，也是很有利

的［２～４］

。而传统方法用Ｈ２ＳＯ４／ＨＮＯ３体系制备

的可膨胀石墨起始膨胀温度都较高，并且只有在９００～１　

０００℃的高温下才能膨胀完全［５］。因此，制备在低温下即具有较高膨胀容积的可膨胀石墨，是可膨胀石墨的发展新方向。作者采用ＨＣｌＯ４／Ｈ３ＰＯ４／ＣｒＯ３反应体系制备低温可膨胀

石墨，

对影响其膨胀体积的工艺因素进行了研究。１　实验部分

１．１　实验试剂及仪器

天然鳞片石墨（５００～６００μ

ｍ）：纯度９９％以上，青岛南墅石墨厂；高氯酸：上海金鹿化工有限公司；

磷酸、三氧化铬：国药集团化学试剂有限公司；超级恒温水浴：常州国华电器有限公司；ＳＨＺ－Ｄ（Ⅲ）

循环水式真空泵、ＡＨＸ－８７１安全型烘箱：南京理工大学机电总厂；箱式电阻炉：龙口市电炉总厂。１．２　可膨胀石墨的制备

将天然鳞片石墨加入混合均匀的插层剂溶液中，

不断搅拌并缓慢加入氧化剂，置于恒温水浴中反应完成后洗涤、

抽滤、烘干制得可膨胀石墨。可膨胀石墨在高温炉内膨胀制得膨胀石墨（也称膨胀石墨蠕虫）

。工艺流程见图１

。图１　可膨胀石墨的制备工艺流程图

１．３　体积测试

按ＧＢ１０６９８－８９介绍的方法测定膨胀石墨的体积。实验采用３００℃测定膨胀石墨体积，采取多次平行测定方法，单位用ｍＬ／ｇ表示。

２　结果与讨论

实验采用单因素法研究影响膨胀石墨体积的各工艺因素。

２．１　反应物用量对膨胀石墨体积的影响

固定反应温度４０℃，反应时间６０ｍｉｎ及其它条件不变，在不同反应物用量下制备可膨胀石墨，研究反应物用量对其膨胀体积的影响，结果见表１。

表１　反应物用量对膨胀石墨体积的影响

ｍ（Ｃ）∶ｍ（ＨＣｌＯ４）∶ｍ（Ｈ３ＰＯ４）∶ｍ（ＣｒＯ３）膨胀石墨体积／（ｍＬ·ｇ－１）

１∶１．０∶２．０∶０．６　２８０

１∶２．０∶２．０∶０．６　３０６

１∶３．０∶２．０∶０．６　３２２

１∶４．０∶２．０∶０．６　３２０

１∶５．０∶２．０∶０．６　３１０

１∶３．０∶０．５∶０．６　３０６

１∶３．０∶１．０∶０．６　３１４

１∶３．０∶１．５∶０．６　３２４

１∶３．０∶２．０∶０．６　３２２

１∶３．０∶２．５∶０．６　３１６

１∶３．０∶１．５∶０．４　３０６

１∶３．０∶１．５∶０．６　３２４

１∶３．０∶１．５∶０．８　３３０

１∶３．０∶１．５∶１．０　３２６

１∶３．０∶１．５∶１．２　３１０

由表１可见，随着氧化插层剂用量增加，膨胀石墨体积逐渐增大，最后膨胀石墨体积都能达到一个最大值，然后随着氧化插层剂增加，膨胀石墨体积又开始逐渐降低。因为，ＨＣｌＯ４／Ｈ３ＰＯ４／ＣｒＯ３用量较少，氧化插层反应不能充分进行。插层剂增多，溶液总体积增大，氧化剂的浓度降低；而氧化剂量增多，可膨胀石墨表面碳层产生过氧化现象，膨胀石墨体积降低。由表１可知，当ｍ（Ｃ）∶ｍ（ＨＣｌＯ４）∶ｍ（Ｈ３ＰＯ４）∶ｍ（ＣｒＯ３）＝１∶３．０∶１．５∶０．８时，膨胀石墨体积最大，最大膨胀体积为３３０ｍＬ／ｇ。

２．２　反应温度与反应时间对膨胀石墨体积的影响固定ｍ（Ｃ）∶ｍ（ＨＣｌＯ４）∶ｍ（Ｈ３ＰＯ４）∶ｍ（ＣｒＯ

３

）＝１∶３．０∶１．５∶０．８及其它反应条件不变，研究反应温度及反应时间对膨胀石墨体积的影响，结果见表２。

表２　反应温度与反应时间对膨胀石墨体积的影响

氧化插层反应是动力学反应与热力学反应同时进行的一个

过程。反应温度低于最佳反应温度，反应物分子不能完全活化，插层反应势垒较大，动力学反应缓慢。而氧化插层反应属于放热反应，温度过高不利于反应的正向进行。当反应达到平衡时，继续升高温度，反应逆向进行，插层物质逸出。同时过高的温度使各种无机酸与有机酸等插层剂挥发加快，造成反应原料的损失。

反应时间低于最佳反应时间，插层反应不完全，高于最佳反应时间，石墨层间物逸出，产生脱夹克现象［６］。

由表２可见，在反应温度４５℃，反应时间７０ｍｉｎ时，膨胀石墨体积最大，最大膨胀体积为３５０ｍＬ／ｇ。

２．３　水洗温度及水洗程度对膨胀石墨体积的影响将氧化插层反应完成的可膨胀石墨，在不同的水洗温度及不同水洗程度下水洗、抽滤，研究水洗温度与水洗程度对膨胀石墨体积的影响，结果见图２。其中水洗程度用最后一次水洗、抽滤后可膨胀石墨表面的ｐＨ值表示。

水洗温度／℃

图２　水洗温度与水洗程度对膨胀石墨体积的影响

由氧化插层机理可知，一方面可膨胀石墨制备中插入到石墨层间的ＣｌＯ－４、ＨＰＯ２－４、Ｈ２ＰＯ－４等易分解成不稳定的化合物，温度越高越容易分解；另一方面可膨胀石墨中的层间化合物对水的溶解也是随温度的升高而易从层间脱解出来［７］，从而使膨胀石墨蠕虫体积降低。由图２可见，水洗温度在０～２０℃时最佳。

如果经充分插层生成的可膨胀石墨水洗程度不足，则石墨层间化合物大量残留在石墨表面或石墨鳞片的边缘，高温瞬间膨化时汽化作用只发生在石墨表面及鳞片边缘，不足以在石墨层间产生推动力使石墨鳞片产生较大程度膨化。相反，

·

６

３

· 化　工　科　技 第１９卷

适当水洗，石墨层间化合物变为残余的石墨层间化合物，其主要位于石墨鳞片内部，在高温瞬间膨化时就可在石墨鳞片的层间迅速汽化，产生很大的推动力，实现较大的膨胀［８］。但大量的水洗，使插层剂与去离子水交换过于频繁，层间化合物过多的溢出，膨胀石墨体积变小。由图２可知，水洗程度以可膨胀石墨表面ｐＨ＝５～６为宜。

２．４　干燥温度对膨胀石墨体积的影响

取２．１～２．３节最适条件下制备的可膨胀石墨，于不同干燥温度干燥，研究干燥温度对膨胀石墨体积的影响，结果见图３

。

干燥温度／℃

图３　干燥温度对膨胀石墨体积的影响

可膨胀石墨中的水分，主要以２种状态存在于石墨层间，一部分存在于石墨表面或石墨片层边缘，另一部分存在于石墨层间。而对膨胀石墨体积有贡献的是石墨层间的水分。研究表明可膨胀石墨中的水分质量分数在１％～３％时，随着水分的增加，膨化率有上升趋势，但如果水分质量分数过高，大量水分附着在石墨表面，不仅对高温膨化无积极影响反而会因其汽化吸热而妨碍可膨胀石墨的膨化［９］。当干燥温度较低时，可膨胀石墨表面或片层边缘会残留大量水分。而干燥温度较高，插层物质挥发分解，同时会引起物料结团，降低流动性，这些都会造成插层剂的损失，使膨胀石墨体积降低。由图３可见，在６０℃干燥箱中干燥，膨胀石墨体积最大。

２．５　膨胀温度对膨胀石墨体积的影响

本配方制备的可膨胀石墨具有低温膨胀性，在３００℃的膨胀温度下研究其体积的变化已满足实验的要求，所以２．１～２．４小节中采用的膨胀温度为３００℃。

膨胀温度也是影响膨胀石墨体积的一个很重要的因素。取２．１～２．４最佳条件下制备的可膨胀石墨，固定其它条件不变，研究不同膨胀温度对

膨胀石墨体积的影响，结果见图４

。

膨胀温度／℃

图４　膨胀温度对膨胀石墨体积的影响

由图４可见，膨胀石墨体积随膨胀温度的升高不断增大，５００℃时达到体积最大值，温度继续升高，体积变化不明显。因为可膨胀石墨内的插层物质高温易挥发分解，瞬间产生大量气体，产生的气压将石墨片层推开，生成蠕虫状的膨胀石墨。温度越高，插层剂挥发分解产生气体越多，气压就越大，推开石墨片层的程度越大，膨胀石墨体积也越大。５００℃时，可膨胀石墨已完全膨胀，膨胀石墨体积最大为５５０ｍＬ／ｇ。

３　插层反应机理研究

石墨具有独特的化学结构，石墨层间以较弱的范德华力相结合，在一定条件下加入氧化剂，强氧化性物质破坏石墨层间的范德华力，使石墨片层失去电子，成为带正电荷的离子层，相邻层面的碳原子同性相斥，使层面间距增大，再在电荷转移驱动力下，插层剂以离子、分子形式进入石墨层间，形成石墨层间化合物即可膨胀石墨。当石墨层间化合物受热时，插层剂瞬间分解产生大量气体，形成强大的气压，将石墨片层打开，形成膨胀石墨。具体过程如下。

（１）ＣｒＯ

３

在Ｈ＋环境中，与石墨发生氧化反应。反应方程式：

石墨＋Ｃｒ２Ｏ２－７＋Ｈ＋＝石墨ｎ＋＋Ｃｒ３＋＋Ｈ２Ｏ

（２）插层剂离解形成的阴离子基团插入到石墨层间，此时石墨片层由于带正电相互排斥，层间距增大。插层剂分子是极性分子，易于石墨阳离子形成离子－偶极的键合。ＣｒＯ３在酸性液体环境下形成的Ｃｒ２Ｏ２－７或ＣｒＯ２－４也作为部分插层剂，进入石墨层间。

·

７

３

·

第５期郭　垒，等．影响膨胀石墨体积的制备工艺研究

石墨ｎ＋＋ａＣｒ２Ｏ２－７＝石墨ｎ＋·ａＣｒ２Ｏ２－

７石墨ｎ＋＋ｂ　ＨＣｌＯ４＋ｃ　ＣｌＯ－３＝石墨ｎ＋

·ｂＨＣｌＯ４·ｃ　ＣｌＯ－

３

石墨

ｎ＋

＋ｄ　Ｈ３ＰＯ４＋ｅ

　Ｈ２ＰＯ－

４＋ｆ　ＨＰＯ２－４

＋ｇＰＯ３－４＝石墨ｎ＋·ｄ　Ｈ３ＰＯ４·ｅ　Ｈ２ＰＯ－

４·

ｆ　ＨＰＯ２－４·ｇＰＯ３－

４

４　结　论

（１）膨胀石墨体积最大时的工艺参数：反应物ｍ（Ｃ）∶ｍ（ＨＣｌＯ４）∶ｍ（Ｈ３ＰＯ４）∶ｍ（ＣｒＯ３）＝１∶３．０∶１．５∶０．８，反应温度４５℃，

反应时间７０ｍｉｎ，在０～２０℃水洗至ｐＨ为５～６，６０℃干燥箱干燥制得的可膨胀石墨，在膨胀温度３００℃，最大膨胀体积为３５０ｍＬ／ｇ．（２）随着膨胀温度的升高，膨胀石墨体积逐渐增大，５００℃已完全膨胀，膨胀石墨体积最大为５５０ｍＬ／ｇ

。［参　考　文　献］

［１］　周明善，刘丽梅，李澄俊，等．ＨＣｌＯ４－ＣｒＯ３石墨层间化合物

的制备及其性能［Ｊ］．新型碳材料，２０１０，２５（５）∶３８９～３９１．［２］　Ｗａｔｃｈａｒｅｅ　Ｋａｔｉｎｏｎｋｕｌ，Ｍｉｃｈａｅｌ　Ｍ　Ｌｅｒｎｅｒ．Ｇｒａｐ

ｈｉｔｅ　ｉｎｔｅｒｃａ－ｌａｔｉｏｎ　ｃｏｍｐｏｕｎｄｓ　ｗｉｔｈ　ｌａｒｇｅ　ｏｒｏａｎｉｏｎｓ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｆｌｕｏ－ｒｉｎｅ　Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ

，２００７，（１２８）：３３２～３３４．［３］　林学梅．

低温可膨胀石墨的结构与性能研究［Ｊ］．火工品，２００６，（５）：１～４．

［４］　冷静．

低温低能耗可膨胀石墨的制备及其应用［Ｄ］．南京：南京理工大学，２００９．

［５］　吴会兰，

张兴华．低温可膨胀石墨的制备［Ｊ］．非金属矿，２０１１，３４（１）：２６～３２．

［６］　朱继平．

可膨胀石墨的稳定性研究［Ｊ］．合肥工业大学学报（自然科学版），２００２，２５（２）：２９８～３００．

［７］　杨永清，

陈二龙．热膨胀石墨水洗温度与膨胀倍数关系的研究［Ｊ］．炭素，１９９８，（２）：３９～４０．

［８］　曹乃珍，

沈万慈，温诗铸，等．膨胀石墨制备及微孔结构相关性研究［Ｊ］．材料科学与工艺，１９９７，５（２）：１１１～１１２．［９］　曹晓燕，

杨桂朋，李春玲．膨胀石墨的制备及其吸附性能［Ｊ］．水处理技术，２００７，３３（１）：９５～９８．

Ｔｈｅ　ｆａｃｔｏｒｓ　ｉｎｆｌｕｅｎｃｉｎｇ　

ｅｘｐａｎｄｅｄ　ｖｏｌｕｍｅ　ｆｏｒｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｅｘｐ

ａｎｄｅｄ　ｇｒａｐｈｉｔｅＧＵＯ　Ｌｅｉ，ＺＨＡＮＧ　Ｄａ－ｚｈｉ，ＸＵ　Ｍｉｎｇ，ＨＵ　Ｘｉｕ－ｊ

ｕａｎ（Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｏｆ　Ｎａｎｊｉｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　

ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｎａｎｊｉｎｇ２１００９４，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｅｘｐａｎｄｅｄ　ｇｒａｐｈｉｔｅ　ｗａｓ　ｐｒｅｐａｒｅｄ　ｂｙ　ｕｓｉｎｇ　ＨＣｌＯ４／Ｈ３ＰＯ４／ＣｒＯ３ａｓ　ｔｈｅ　ｏｘｉｄａｎｔ　ａｎｄ　ｉｎ－ｔｅｒｃａｌａｔｉｏｎ　ａｇｅｎｔ．Ｔｈｅ　ｆａｃｔｏｒｓ　ａｆｆｅｃｔｉｎｇ　ｔｈｅ　ｖｏｌｕｍｅ　ｏｆ　ｅｘｐａｎｄｅｄ　ｇｒａｐｈｉｔｅ　ｗｅｒｅ　ｏｂｔａｉｎｅｄ　ｂｙ　ｓｔｕｄｙｉｎｇ　

ｒｅ－ａｃｔａｎｔｓ　ｒａｔｉｏ，ｒｅａｃｔｉｏｎ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ，ｒｅａｃｔｉｏｎ　ｔｉｍｅ，ｗａｔｅｒｅｄ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ，ｗａｔｅｒｅｄ　ｄｅｇｒｅｅ，ｄｒｉｅｄ　ｔｅｍｐｅｒａ－ｔｕｒｅ，ｅｘｐａｎｄｅｄ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ．Ｉｔ　ｗａｓ　ｓｈｏｗｅｄ　ｔｈａｔ　ｍ（Ｃ）∶ｍ（ＨＣｌＯ４）∶ｍ（Ｈ３ＰＯ４）∶ｍ（ＣｒＯ３）

＝１∶３．０∶１．５∶０．８，ｔｈｅ　ｒｅａｃｔｉｏｎ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｗａｓ　４５℃，ｒｅａｃｔｉｏｎ　ｔｉｍｅ　ｗａｓ　７０ｍｉｎ，ｔｈｅ　ｇｒａｐｈｉｔｅ　ｗａｓ　ｗａｔｅｒｅｄ　ａｔ０～２０℃ａｎｄ　ｓｔｏｐｐｅｄ　ｕｎｔｉｌ　ｉｔｓ　ｐＨ　ｗａｓ　５～６，ｄｒｉｅｄ　ａｔ　６０℃，ｔｈｅｎ　ｅｘｐ

ａｎｄｅｄ　ａｔ　３００℃，ｔｈｅ　ｖｏｌｕｍｅ　ｏｆ　ｅｘ－ｐａｎｄｅｄ　ｇｒａｐｈｉｔｅ　ｗａｓ　３５０ｍＬ／ｇ．Ｔｈｅ　ｅｘｐａｎｄｅｄ　ｇｒａｐｈｉｔｅ　ｗａｓ　ｃｏｍｐｌｅｔｅｌｙ　ｅｘｐａｎｄｅｄ　ａｔ　５００℃ａｎｄ　ｔｈｅ　ｌａｒ－ｇｅｓｔ　ｖｏｌｕｍｅ　ｗａｓ　５５０ｍＬ／ｇ

．Ｋｅｙ　

ｗｏｒｄｓ：Ｅｘｐａｎｄｅｄ　ｇｒａｐｈｉｔｅ；Ａｆｆｅｃｔｉｎｇ　ｆａｃｔｏｒｓ；Ｖｏｌｕｍｅ　ｏｆ　ｅｘｐａｎｄｅｄ　ｇｒａｐｈｉｔｅ·８３· 化　工　科　技 第１

９卷

膨胀石墨综述

HUNAN UNIVERSITY 膨胀石墨制备 膨胀石墨制备 学生姓名：张成智 学生学号：B1513Z0359 学院名称：材料科学与工程学院 指导老师：陈刚 二〇一五年十一月 膨胀石墨制备工艺综述 摘要：随着近代生产向高速度、高参数发展，尤其是原子能、导电、地热、宇航等新技术的兴起，对材料的要求也越来越高。例如，旋转发动机顶点部分的滑

动密封、石油、化工、冶金、地热工业中的高温密封、核工业上的耐辐射密封等，都需要一种既耐高温、耐腐蚀、耐辐射、又有柔软性、回弹性和长寿命抗氧化的高性能密封材料。近年来实践证明，膨胀石墨和以它为基体的复合材料能够很好地满足诸方面的要求。本文通过查阅文献总结了膨胀石墨的制备方法、工艺、应用，以及发展趋势。 关键词：膨胀石墨；机理；复合材料；应用 膨胀石墨，研究碳材料的同仁肯定不陌生，但是如何定义“膨胀”二字呢能膨胀到多少倍的石墨才叫膨胀石墨呢可膨胀石墨与膨胀石墨又没有一个明确的定义和区分；可膨胀石墨与石墨层间化合物是不是一种物质可膨胀石墨是指已经插层了层间化合物还是可以膨胀的石墨的一个统称还有鳞片石墨的尺寸在一个什么范围内，石墨才具有膨胀性，为什么这些都需要给一个明确的定义才行。天然石墨是层状结构如图1(a)所示，石墨是共价键结合的正六边形片状结构单元，层间依靠离域π键和范德华力连接并可相对滑动。天然石墨层间的范德华力非常微弱，所以可以用物理或化学的方法将其它异类粒子如原子、分子、离子甚至原子团插入到晶体石墨层间，有些可与层内电子发生局部化学反应[1]，形成层间化合物[（Graphite Intercalation Compound）简称GIC，图1(b)]。天然石墨可与硝酸、硫酸、高锰酸钾、双氧水、臭氧等强氧化剂混合形成可膨胀石墨，当可膨胀石墨通过马弗炉或微波加热时，石墨碳层沿C轴方向发生大幅膨胀，形成结构疏松、低密度的蠕虫石墨、内部具有大量独特的网状微孔结构，也即膨胀石墨或石墨蠕虫(Worm-1ike Graphite)[（ Expanded Graphite）简称EG，图1(c)][2]。可膨胀石墨之所以能够膨胀是由于其层间的化合物受热分解产生大量的气体，这些气体受压产生很大的推力，而其碳层因受到该推力而向外膨胀， 图1 这个时候的膨化温度为起始膨化温度[3]。最早是德国科学家Schafautl发现可膨胀石墨。在1841年，他在浓硫酸和浓稍酸的混合液中加入石墨，将反应得到的

石墨烯的制备方法与应用

石墨烯的制备方法与应用 摘要: 石墨烯是目前发现的唯一存在的二维自由态原子晶体, 它是构筑零维富勒烯、一维碳纳米管、三维体相石墨等sp2 杂化碳的基本结构单元, 具有很多奇异的电子及机械性能。因而吸引了化学、材料等其他领域科学家的高度关注。本文介绍了近几年石墨烯的研究进展, 包括石墨烯的合成、去氧化、化学修饰及应用前景等方面的内容。石墨烯由于其特殊的电学、热学、力学等性质以及在纳米电子器件、储能材料、光电材料等方面的潜在应用,引起了科学界新一轮的热潮。关键字: 石墨烯, 制备, 应用,氧化石墨烯，传感器 石墨烯的定义 石墨烯是碳原子紧密堆积成单层二维蜂窝状晶格结构的一种碳质新材料，厚度只有0.335纳米,仅为头发的20万分之一，是构建其它维数碳质材料（如零维富勒烯、一维纳米碳管、三维石墨）的基本单元，具有极好的结晶性、力学性能和电学质量。 石墨烯的结构 完美的石墨烯是二维的, 它只包括六角元胞(等角六边形)。 如果有五角元胞和七角元胞存在,那么他们构成石墨烯的缺陷。如果少量的五角元胞细胞会使石墨烯翘曲; 12个五角元胞的会形成富勒烯。碳纳米管也被认为是卷成圆桶的石墨烯; 可见，石墨烯是构建其它维数碳质材料（如零维富勒烯、一维纳米碳管、三维石墨）的基本单元。

单原子层石墨晶体薄膜。 每个原胞中两个碳原子，每个原子与最相邻三个碳原子形成三个σ键。 每个碳原子贡献一个多余p电子，垂直于graphene平面，形成未成键的π电子——良好的导电性。 石墨烯的性能 最薄——只有一个原子厚 强度最高——美国哥伦比亚大学的专家为了测试石墨烯的强度，先在一块硅晶体板上钻出一些直径一微米的孔，每个小孔上放置一个完好的石墨烯样本，然后用一个带有金刚石探头的工具对样本施加压力。结果显示，在石墨烯样品微粒开始断裂前，每100纳米距离上可承受的最大压力为2．9 微牛左右。按这个结果测算，要使1 米长的石墨烯断裂，需要施加相当于55 牛顿的压力，也就是说，用石墨烯制成的包装袋应该可以承受大约两吨的重量。 没有能隙——良好的半导体 良好的导热性 热稳定性——优于石墨 较大的比表面积 优秀导电性——电子的运动速度达到了光速的1/300，远远超过了电子在一般导体中的运动速度--电子的“光速”移动碳原子有四个价电子，这样每个碳原子都贡献一个未成键的π电子，这些π电子与平面成垂直的方向可形成轨道，π电子可在晶体中自由移动，赋予

膨胀石墨综述

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可膨胀石墨国标

１主题内容与适用范围 本标准规定了可膨胀石墨产品的等级、牌号、技术要求、试验方法及检验规则。 本标准适用于可膨胀石墨的质量检验和验收。 ２引用标准 GB 3520 石墨粒度测定方法 ３术语 3.1 可膨胀石墨 经特殊处理后遇高温可瞬间膨胀成蠕虫状的天然晶质石墨。 3.2 膨胀容积 单位质量的可膨胀石墨在规定的温度下膨胀后的体积，mL/g。 4 产品牌号、等级 4.1 可膨胀石墨根据纯度和粒度划分成不同的牌号。纯度按灰分的大小分为Ⅰ、Ⅱ、 Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ五个等级。 4.2 每个牌号根据灰分、水分、筛余量分为优等品、一级品、合格品三个等级。 4.3 牌号由代号、粒度、纯度等级组成。例：KP500-Ⅱ，KP为可膨胀的汉语拼音缩写，500 表示粒度为500μm，Ⅱ表示纯度等级为Ⅱ等。 5 技术要求 各牌号、等级的可膨胀石墨的技术指标应符合表１规定。 表１ ────┬────┬───────────┬───────────┬───────────┬────┬─── │膨胀容积│ 灰分│ 水分│ 筛余量│ │ 牌号│ mL/g │ ％│ ％│ ％│ 挥发分│pH值

│ ≥ ├───┬───┬───┼───┬───┬───┼───┬───┬───┤ ％│ │ │优等品│一级品│合格品│优等品│一级品│合格品│优等品│一级品│合格品│ │ ────┼────┼───┼───┼───┼───┼───┼───┼───┼───┼───┼────┼───KP500-Ⅰ│ 200 │││││││││││ ────┼────┤ │0.40￣│0.71￣│ │ │ │ │ │ │ │ KP500-Ⅰ│ 200 │〈0.40│ 0.70│ 1.00│ │ │ │ │ │ │ │ ────┼────┤ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ KP500-Ⅰ│ 150 │││││3.00￣│5.01￣│ │80.1￣│75.0￣│ │3.0￣ ────┼────┼───┼───┼───┤〈3.00│ 5.00│ 8.00│〉90.0│ 90.0│ 90.0│≤10.00 │ 5.0 KP500-Ⅱ│ 200 │││││││││││ ────┼────┤1.01￣│2.01￣│3.01￣│ │ │ │ │ │ │ │ KP500-Ⅱ│ 200 │ 2.00│ 3.00│ 5.00││││││││ ────┼────┤ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ KP500-Ⅱ│ 150 │││││││││││ ────┼────┼───┼───┼───┤ │ │ │ │ │ │ │ KP500-Ⅲ│ 150 │││││││││││ ────┼────┤5.01￣│6.01￣│7.01￣│ │ │ │ │ │ │ │ KP500-Ⅲ│ 150 │ 6.00│ 7.00│ 9.00││││││││ ────┼────┤ │ │ │ │ │ │ │ │ │ │ KP500-Ⅲ│ 100 │││││││││││ ────┼────┼───┼───┼───┤ │ │ │ │ │ │ │ KP500-Ⅳ│ 150 │││││││││││

石墨烯量子点制备与应用

石墨烯量子点的概述 石墨烯量子点的性质 GQDs是准零维结构的纳米材料，由于其自身半径小于波尔激发半径，原子内部的电子在三维方向上的运动均受到限制，所以量子局域效应十分显着，因此具有许多独特的物理和化学性质。其与传统的半导体量子点(QDs)相比，GQDs 具有如下独特的性质：不含高毒性的金属元素如镉、铅等，属环保型量子点材料；自身结构稳定，耐强酸和强碱，耐光漂白；厚度可达到单个原子层，横向尺寸可达到几个互相联接的苯环大小，却能够保持高度的化学稳定性；带隙宽度范围可调，原则上可通过量子局域效应和边缘效应在0～5 eV 范围内调节，从而将波长范围从近红外区扩展到可见光区及深紫外区，从而满足了各种技术对材料能隙和特征波长的要求；容易实现表面功能化，可稳定分散于常用的化学试剂，满足材料低成本加工处理的需求。GQDs拥有的发光特性主要是通过光致发光和电化学发光产生，其中荧光性能是GQDs最突出的性能，GQDs的荧光性质主要包括：激发荧光稳定性高且具有抗光漂白性；荧光发射波长可以进行可控调节，有些GQDs还具有上转换荧光性质；激发光谱宽且连续，可以进行一元激发、多元发射。目前关于GQDs的光致发光机理主要有两个：(1)官能团效应，即在GQDs表面进行化学修饰，使得GQDs表面产生能量势阱，表面物理化学状态发生显着变化，导致其荧光量子产率提高；(2)尺寸效应，即GQDs的荧光性能取决于粒径尺寸的大小。GQDs还是优良的电子给体和电子受体，因此GQDs在能量存储、光电转化和电磁学领域具有重要的研究意义，同时在生物、医学、材料、新型半导体器件等领域具有重要潜在应用价值。 石墨烯量子点的制备 GQDs的合成方法可以分为两大类：自上而下法和自下而上法，如图1-1所示。自上而下法是通过简单的物理化学作用，进行热解和机械剥离块状石墨，得到尺寸较小的GQDs，是最常用的制备方法，比如改进的Hummers法，其使用的原料廉价，但是反应条件比较苛刻，制备周期比较长，通常需要经过强酸、强氧

综述石墨烯的制备与应用

半导体物理课程作业 石墨烯的制备与应用（材料）

目录 一、石墨烯概述 (2) 二、石磨烯的制备 (3) 1、机械剥离法 (3) 2、外延生长法 (5) 3、化学气相沉积法 (6) 4、氧化石墨-还原法 (6) 5、电弧法 (9) 6、电化学还原法 (9) 7、有机合成法 (10) 三、石墨烯的应用 (11) 1、石墨烯在电子器件领域的应用 (11) 1.1 石墨烯场效应晶体管 (11) 1.2 石墨烯基计算机芯片 (12) 1.3 石墨烯信息存储器件 (13) 2、石墨烯在能源领域的应用 (14) 2.1 石墨烯超级电容器 (14) 2.2 锂离子电池 (15) 2.3 太阳能电池 (16) 2.4 储氢/甲烷器件 (17) 3、石墨烯在材料领域的应用 (18) 3.1 特氟龙材料替代物 (18) 3.2 石墨烯聚合物复合材料 (18) 3.3 光电功能材料 (19) 4、石墨烯在生物医药领域的应用 (20) 4.1 基于氧化石墨烯的纳米载药体系 (20) 4.2 氧化石墨烯对DNA/基因/蛋白的选择性检测 (21) 4.3用于生物成像技术 (23) 4.4 石墨烯在肿瘤治疗方面的应用 (23) 四、总结及展望 (24) 参考文献 (25)

一、石墨烯概述 碳广泛存在于自然界中，是构成生命有机体的基本元素之一。碳基材料是材料界中一类非常具有魅力的物质，从无定形的碳黑到晶体结构的天然层状石墨；从零维纳米结构富勒烯到一维碳纳米管无不给人们带来炫丽多彩的科学新思路。而二维碳基材料石墨烯的发现，不仅极大地丰富了碳材料的家族，而且其所具有的特殊纳米结构和性能，使得石墨烯无论是在理论还是实验研究方面都已展示出了重大的科学意义和应用价值，从而为碳基材料的研究提供新的目标和方向。 碳的晶体结构—石墨和金刚石(三维)是自然界中最早为人们熟知的两种碳同素异构体，因化学成键方式不同而具有截然相反的特性。1985年，一种被称为“巴基 (零维)被首次发现，三位发现者于11年后, 即1996年获诺贝尔球”的足球形分子C 60 化学奖。1991年，由石墨层片卷曲而成的一维管状结构: 碳纳米管被发现，发现者饭岛澄男(Sumio Iijima)于2008年获卡弗里纳米科学奖。石墨烯(Graphene)是只有一个原子层厚的单层石墨片，是石墨的极限形式。作为碳的二维晶体结构, 石墨烯的出现最终为人类勾勒出一幅点、线、面、体(从零维到三维)相结合的完美画面(图1)。 图1 碳的晶体结构 石墨烯作为一种独特的二维晶体，有着非常优异的性能：具有超大的比表面积，理论值为2630m2/g；机械性能优异，杨氏模量达1.0TPa；热导率为5300W·m-1·K-1，是铜热导率的10多倍；几乎完全透明，对光只有2.3%的吸收；在电和磁性能方面具有很多奇特的性质，如室温量子霍尔效应、双极性电场效应、铁磁性、超导性及高

膨胀石墨的制备方案

石墨是碳的结晶矿，是碳的一种同素异形体，石墨比较柔软，有金属光泽，有滑腻感，由于石墨还有层状结构，因此石墨有很好的润滑做用，再加上石墨的熔点很高，可以做为高温润滑剂。他又可以分为块状石墨和鳞片状。 膨胀石墨是由石墨在某种化学变化下，将层状结构破坏得到的，同时他在晶格沿C轴方向急剧膨胀形成具有良好柔韧性，抗高温，又回弹力的物质。膨胀石墨有非常广泛的应用，在冶金，机械，航空方面均有应用 下面就介绍膨胀石墨的制备原理及工艺。 由于石墨的层状结构，因此需要外力破坏石墨的层状结构，我们一般采用在层中插入可以在告温下可以分解的物质做为插入剂（我们老师给我们提供的是硫酸）当插入剂插到石墨的层状结构候，我们清洗，烘干，这样就得到了可膨胀的石墨。 我们还要测定可膨胀石墨的膨胀系数，当膨胀系数满足时，我们的制备就基本完成，它的膨胀系数一般在十到十四，膨胀系数这样计算。膨胀后的体积与微膨胀的体积之差在于微膨胀体体的比就是膨胀系数。 制备步骤：首先从石墨的样品中提纯得到比较纯净的鳞片石墨（含碳量在98%以上），石墨中的杂质一般有三种石英，三氧化二铝，三氧化二铁等，我们需要先用过量盐酸清洗石墨，然后再用氢氧化钠熔融处理石墨，最后清洗，烘干，这样就得到较纯净的石墨鳞片。 当我们得到了比较纯净的鳞片石墨。 我们用过硫酸氨做为氧化剂，氧化石墨的层状边缘，值得注意的是，由于过硫酸氨在酸性条件下才能发挥效果，因此我们需要用硫酸酸化，同时我们需要加热，以加快反应速率。也让硫酸做为插入剂，插入石墨的层状结构中。在氧化层状边缘过程中会有气体产生，当不再有气体产生时，我们就停止加热，这时我们将所得到的混合液用漏斗过滤，并将石墨用清水洗涤多次，直到洗涤液的算性不再很强时，然后用抽气干燥法，将滤纸上的石墨干燥。我们取出适量的干燥后的石墨做为测试品，量出体积，然后放在炉子中迅速加热至九百八十到一千零五十度，过四分钟，测量膨胀后的石墨的体积，这样就测量出膨胀石墨的膨胀系数。 1.取适量鳞片石墨，加入过硫酸铵晶体，在加入硫酸酸化。并用石棉网垫着，放 在定炉子上加热。 2.当混合液体不再产生气泡时，将混合液体用漏斗过滤，并用真空泵干燥。并多 次用请随洗涤，洗涤液的的酸性不在强烈，也就是ph大约在4左右不再用水 洗涤，继续用真空泵抽水，当不再有液体流下时，停止抽气。 3.将所得到的石墨放到量筒中测量其体积，并取体积已知的适量可膨胀石墨放入 炉内迅速加热至900—1000度瞬间膨胀。当冷却后，测量器膨胀系数。 实验内容基本就这些了，希望能给要用的人有所帮助。

石墨烯的制备与应用--课程论文

石墨烯的制备与应用前景 石墨烯是由碳原子以sp2链接的单元子层构成，其基本结构为有机材料中最稳定的苯六元环。它是目前发现的最薄的二维材料。石墨烯是构成其他石墨材料的基本单元，它可以翘曲成为零维的富勒烯,卷曲成为一维的CNTs或者堆垛成为三维的石墨。石墨烯是人类已知强度最高的物质，比钻石还坚硬，厚度相当于普通食品塑料袋的石墨烯能够承担大约两吨重的物品。石墨烯最大的特点是石墨 烯最大的特性是其中电子的运动速度达到了光速的1/300，远远超过了电子在一般导体中的运动速度。这使得石墨烯中的电子，或更准确地，应称为“载荷子”的性质和相对论性的中微子非常相似。此外石墨烯有相当的不透明度：可以吸收大约2.3%的可见光。而这也是石墨烯中载荷子相对论性 的体现。 石墨烯的合成方法 1.微机械剥离法 这是最早制备出石墨烯的方法。2004年Novoselovt等用这种方法制备出了单层石墨烯。典型制备方法是用另外一种材料膨化或者引入缺陷的热 解石墨进行摩擦，体相石墨的表面会产生絮片状的晶体，在这些絮片状的 晶体中含有单层的石墨烯。但缺点是此法是利用摩擦石墨表面获得的薄片 来筛选出单层的石墨烯薄片，其尺寸不易控制，无法可靠地制造长度足供 应用的石墨薄片样本。 2.外延生长法 一般是通过加热6H—SiC单晶表面，脱附Si(0001面)原子制备出石墨烯．先将6H- SiC单晶表面进行氧化或H 刻蚀预处理在超高真空下加热去除表面氧化物，通过俄歇电子能谱确认氧化物完全去除后，继续恒温加热10-20分钟，所得的石墨烯片层厚度主要由这一步骤的温度所决定，这种方法能够制备出l-2碳原子层厚的石墨烯，但由于SiC晶体表面结构较为复杂，难以获得大面积、厚度均一的石烯。与机械剥离法得到的石墨烯相比，外延生长法制备的石墨烯表现出较高的载流子迁移率等特性，但观测不到量子霍尔效应。 3.碳纳米管轴向切割法 前文已经提到过，碳纳米管从结构上可以看作是由单层的石墨烯纳米带卷曲

实验一 可膨胀石墨的制备实验

实验一膨胀石墨制备 （6学时） 一、实验目的 1、熟悉膨胀石墨层间化合物的制备原理，掌握一种可膨胀石墨的制备方法； 2、比较高温膨胀法和微波膨胀法的膨胀效果。 二、实验原理 膨胀石墨具有极强的耐压性、柔韧性、可塑性和自润滑性；极强的抗高、低温、抗腐蚀、抗辐射特性；极强的抗震特性；极强的电导率；极强的抗老化、抗扭曲的特性；可以抵制各种金属的熔化及渗透、无毒、不含任何致癌物，对环境没有危害。由天然磷片石墨制备的膨胀石墨材料，既保留了天然鳞片石墨耐高温，耐腐蚀、能承受中子流、β射线、γ射线和长期辐射等特性，更有天然石墨本身没有的可弯曲、可压缩、有弹性、不渗透等特性，使其大量地运用于吸附材料、密封材料、电池电极等。膨胀石墨运用于密封材料的技术目前较为成熟，而运用于吸附材料在近年来逐渐成为热点。 石墨晶体是两向大分子层状结构，每一平面内的C原子都以C-C共价键相结合，层与层之间以较弱的范德华力相结合。石墨的层状结构十分典型，每一层片是一个碳原子层，层内碳原子之间以sp2杂化轨道成很强的共价键，即1个2s电子和2个2p电子杂化等价的杂化轨道，位于同一平面上，互相形成σ键，而二个未参加杂化的2p电子则垂直于平面，形成π键。石墨的这种层状结构使得层间存在一定的空隙。因此在一定条件下，某些反应物(如酸、碱、卤素)的原子(或单个分子)即可进入层间空隙，并与碳网平面形成层间化合物。这种插有层间化合物的石墨即为可膨胀石墨。膨胀石墨是由天然鳞片石墨制备的可膨胀石墨高温膨胀后得到的一种疏松多孔的蠕虫状多功能多用途的新型材料。 可膨胀石墨由天然鳞片石墨经氧化、插层、水洗、干燥得到。其在高温下受热迅速膨胀, 膨胀倍数高达数十倍到数百倍甚至上千倍以形成膨胀石墨或石墨蠕虫，由原鳞片状变成密度很低的蠕虫状，形成了一个非常好的绝热层。膨胀石墨既是膨胀体系中的碳源，又是绝热层，能有效隔热，在火灾中具有热释放率低，质量损失小，产生的烟气少的特点。 目前制备膨胀石墨的主要方法有化学氧化法，电化学法，气象扩散法，爆炸法。其中化学氧化法使用的最为广泛，以天然鳞片石墨和浓硫酸为原料，氯气、重铬酸盐、双氧水、硝酸、三氧化铬等为氧化剂，浓硫酸作为主要插层剂进行插层。所制得的石墨层间化合物在高温膨胀炉中或微波炉中进行膨胀。在高温炉中膨胀是由于石墨层间化合物遇热立即分解产生的气体瞬时挥发的推力，足于克服范德华力将石墨层面沿C轴方向推开，使石墨片厚度高倍膨胀，从而形成膨胀石墨；在微波炉中膨胀是由于可膨胀石墨具有导电性，在微波作用下可膨胀石墨内部产生的巨大涡电流，具有剧烈的加热效应，使可膨胀石墨层间的插入物急剧分解和挥发剧烈膨胀，从而形成膨胀石墨。这种高倍

石墨烯的合成与应用

石墨烯的合成与应用 贾雨龙1345761115 材料成型及控制工程摘要：论述了石墨烯非凡的物理及电学性质，包括电子输运-零质量的狄拉克-费米子行为，量子霍耳效应，最小量子电导率，量子干涉效应的强烈抑制等；石墨烯的机械和化学制备方法和石墨烯在纳电子器件方面、计算机芯片取代硅、制造最快的碳晶体管、减少噪声方面和潜在的储氢材料领域等方面的应用。 关键词：石墨烯；量子霍耳效应；量子电导率 Synthesis and applications of graphene Jia yun-long Jiangsu University of Science and Technology Abstract:This paper summarized the extraordinarily physical and electrical properties of graphene,including electron transport-Massless Dirac Fermion behavior,Anomalous quantum Hall effect(chiral,RT),Minimum quantum conductivity,Suppression of quantum interference effect,and etc.The mechanical and chemical synthesis methods for graphene and the applications of graphene in nanoelectronic devices,computers chip replace of silicon,manufacturing the fastest transistor,reducing yawp and potential hydrogen storage,etc were also introduced. Key words:Graphene;anomalous quantum Hall effect;Minimum conductivity 引言 石墨烯是碳原子紧密堆积成单层二维蜂窝状晶格结构的一种炭质新材料[1]，这种石墨晶体薄膜的厚度只有仅有0.0035nm,仅为头发的20万分之一，是构建其他维数炭质材料（如零维富勒烯、一维纳米碳管、三维石墨）的基本单元，具有极好的结晶性及电学性。完美的石墨烯是二维的，只包括六角元胞；如果有五角元胞和七角元胞存在，会构成石墨烯的缺陷；少量的五角元胞存在会使石墨烯翘曲入形状；12 个五角元胞会形成富勒烯（fullerene） 石墨烯的理论研究已有60多年的历史，被广泛用来描述不同结构炭质材料的性能。20世纪80年代，科学家们开始认识到石墨烯可以作为（2+1）维量子电动力学的理想理论模型。但一直以来人们普遍认为这种严格的二维晶体结构由于热力学不稳定性而难以独立稳定的存在。然而真正能够独立存在的二维石墨烯晶体在2004年由英国曼彻斯特大学的Novoselov等[2]利用胶带剥离高定向石墨的方法获得，并发现石墨烯载流子的相对论粒子特性[3,4]，从而引发石墨烯研究热。石墨烯在过去的短短3年内已经充分展现出在理论研究和实际应用方面的无穷魅力，迅速成为材料科学和凝聚态物理领域最为活跃的研究前沿[5]。研究发现，再不需要任何传统化学稳定剂的情况下，石墨烯可以在水中稳定地分解分层，有望应用于可减少静电现象的涂层的研制。 1石墨烯的性质 1.1电子运输-零质量的狄拉克-费米行为（Massless Dirac Fermion behavior） 石墨烯是零带隙半导体，独特的载流子特性是其备受关注的原因之一。在凝聚态物理领域，材料的电学性能常用薛定谔方程描述，而石墨烯的电子与蜂窝状晶体周期势的相互作用产生了一种准粒子，A.Qaiumzadeh[6]根据GW近似值计算了石墨烯在无序状态下在兰道费米子液体内的准粒子特性，即零质量的狄拉克-费米子(massless Dirac Fermions)，具有类似于光子的特性，在低能区域适合于采用含有有效光速的（2+1）维狄拉克方程来精确表述。因此，石墨烯的出现为相对论量子力学现象的研究提供了一种重要的手段。

再剥离膨胀石墨制备石墨烯

An approach to produce single and double layer graphene from re-exfoliation of expanded graphite S.R.Dhakate a ,*,N.Chauhan a ,S.Sharma a ,J.Tawale b ,S.Singh b ,P.D.Sahare c ,R.B.Mathur a a Physics and Engineering of Carbon,Division of Materials Physics and Engineering,National Physical Laboratory,Council of Scienti?c and Industrial Research,Dr.K.S.Krishnan Marg,New Delhi 110012,India b Division of Material Characterization,National Physical Laboratory,Council of Scienti?c and Industrial Research,Dr.K.S.Krishnan Marg,New Delhi 110012,India c Department of Physics and Astrophysics,Delhi University,Delhi 110017,India A R T I C L E I N F O Article history: Received 19November 2010Accepted 31December 2010Available online 14January 2011 A B S T R A C T We report the production of high quality single and double layer graphene from sonication and centrifugation of re-exfoliated expanded graphite (EG)in an organic solvent.The pre-pared graphene-sheets are identi?ed by Ultraviolet–visible spectroscopy and characterized using different techniques.Transmission and scanning electron microscopy observations show that the graphene-sheets have an area of $(12·10)l m 2.The selected area electron diffraction analysis and Raman spectroscopy have con?rmed the presence of single layer graphene-sheet.The I(2D)/I(G)ratio from the Raman spectrum of graphene is found to be $1.7which suggests the presence of single and double layer graphene.Scanning probe microscopy studies reveals that on re-exfoliation of EG,thickness of graphene layer decreases from 6–7nm to 0.75–1.075nm.This suggests that re-exfoliation overcomes the problem of insuf?cient oxidation or inadequate pressure that builds-up during ?rst thermal exfoliation of graphite intercalated compound.The photoluminescence spectrum of graph-ene shows the emission of blue light at $390nm which indicates the presence of some functional groups.These graphene-sheets should facilitate the manipulation and process-ing of graphene based material for various applications. ó2011Elsevier Ltd.All rights reserved. 1.Introduction Graphene,as the fundamental two-dimensional (2D)carbon structure with exceptionally high crystal and electronic qual-ity,has emerged as a rapidly rising star in the ?eld of material science.It is the thinnest known and the strongest ever mea-sured material in the universe [1].Graphene,as de?ned,is a 2D crystal,composed of monolayers of carbon atoms ar-ranged in a honeycombed network with six-membered rings [2]which is the interest of both theoretical and experimental researchers worldwide.The name comes from graphite and alkene;graphite itself consists of many graphene-sheets stacked together by weak van der Waals forces.This attrib-uted to the monolayer of carbon atoms densely packed into honeycomb structure [3–5].T wo features of graphene make it an exceptional material.First,despite the relatively crude ways it is still being made,graphene exhibits remarkably high quality resulting from a combination of the purity of its carbon content and orderliness of the lattice into which its carbon atoms are arranged.The quality of its crystal lattice is also responsible for remarkably high electrical conductivity of graphene.Its electrons can travel without being scattered 0008-6223/$-see front matter ó2011Elsevier Ltd.All rights reserved.doi:10.1016/j.carbon.2010.12.068 *Corresponding author:Fax:+911145609310. E-mail address:dhakate@mail.nplindia.ernet.in (S.R.Dhakate).

石墨烯的制备方法及应用

石墨烯的制备方法及应用 无机光电0901 3090707020 黄飞飞摘要：石墨烯具有非凡的物理性质，如高比表面积、高导电性、高机械强度、易于修饰及大规模生产等。2004年石墨烯的成功剥离，使石墨烯成为形成纳米尺寸晶体管和电路的“后硅时代”的新潜力材料，其产品研发和应用目前正在全球范围内急剧增加，本文通过对石墨烯特性、制备方法、在光电器件方面的应用几方面进行了综述，希望对石墨烯的综合应用进展有所了解。 关键词：石墨烯制备方法应用 1 引言 人们常见的石墨是由一层层以蜂窝状有序排列的平面碳原子堆叠而形成的，石墨的层间作用力较弱，很容易互相剥离，形成薄薄的石墨片。当把石墨片剥成单层之后，这种只有一个碳原子厚度的单层就是石墨烯。石墨烯（Graphene）的理论研究已有 60 多年的历史。石墨烯一直被认为是假设性的结构，无法单独稳定存在，直至 2004 年，英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫，成功地在实验中从石墨中分离出石墨烯，而证实它可以单独存在，两人也因在二维石墨烯材料的开创性实验而共同获得2010年诺贝尔物理学奖。石墨烯的出现在科学界激起了巨大的波澜，从2006年开始，研究论文急剧增加，作为形成纳米尺寸晶体管和电路的“后硅时代”的新潜力材料，旨在应用石墨烯的研发也在全球范围内急剧增加，美国、韩国，中国等国家的研究尤其活跃。石墨烯或将成为可实现高速晶体管、高灵敏度传感器、激光器、触摸面板、蓄电池及高效太阳能电池等多种新一代器件的核心材料。 2 石墨烯的基本特性 至今为止，已发现石墨烯具有非凡的物理及电学性质，如高比表面积、高导电性、机械强度高、易于修饰及大规模生产等。石墨烯是零带隙半导体，有着独特的载流子特性，为相对论力学现象的研究提供了一条重要途径；电子在石墨烯中传输的阻力很小，在亚微米距离移动时没有散射，具有很好的电子传输性质； 石墨烯韧性好，有实验表明，它们每 100nm 距离上承受的最大压力可达 2.9 N，是迄今为止发现的力学性能最好的材料之一。石墨烯特有的能带结构使空穴

膨胀石墨

膨胀石墨（expanded graphite） 膨胀石墨是由天然鳞片石墨制得的一种疏松多孔的蠕虫状物质，因此又叫石墨蠕虫。天然鳞片石墨是具有层状结构的晶体，每一层的碳原子以强有力的共价键组合成网状平面大分子，而层与层之间以很弱的范德华力结合，在强氧化剂的作用下，网状平面大分子变成有正电荷的平面大分子，致使具有极性的硫酸分子和硫酸氢根等负离子插入石墨层中形成可膨胀石墨，又叫石墨层间化合物（graphite intercalation compound，GIC）。由于在膨化过程中形成了独特的网络孔系，比表面积较大，并且所产生新鲜表面的活性较高，所以具有很好的吸附性能等特殊性能，应用范围十分广泛。 其制备方法通常有化学氧化法（浓硫酸法，混酸法，二次氧化），电化学氧化法，气相扩散法，爆炸法等。 膨胀石墨的微孔结构 一、性能 柔软、轻质、多孔、吸附性能好。由于膨胀石墨空隙发达而且多以大孔为主，所以易吸附大分子物质，尤其是非极性大分子，耐氧化，耐腐蚀，除少数的强氧化剂外，几乎能抗所有的化学介质的腐蚀。耐辐射，并且具有导电导热性、自润滑性好，不渗透，耐高底温，回弹性优良等性质。 二、应用 （1）环保领域 膨胀石墨有疏水性和亲油性，可以在水中有选择性的除去非水性的溶液，如从海上、河流、湖泊中除去油污。膨胀石墨在吸油时能形成一定的缠绕空间，可储存远大于其总孔容的油类物质。吸附大量油后可集结成块，浮于液面，便于收集，并可再生处理，循环使用。而且膨胀石墨基本由纯炭组成，不会再水中造成二次污染。此外, 膨胀石墨还可用于工业废水乳状液除油以及除去可溶于油的物质, 如农药等, 并对许多其他有机或无机有害成分有良好的吸附效果。 除了可在液相中进行选择性吸附，膨胀石墨对工业废气及汽车尾气所产生的大气污染主要成分如SOx，NOx也有一定的脱除效果。

石墨烯复合材料的制备、性能与应用

石墨烯复合材料的制备、性能与应用 摘要：纳米科学技术是当今社会科学中一个重要的研究话题。它是现代科学技术的重要内容，也是未来技术的主流。是基础研究与应用探索紧密联系的新兴高尖端科学技术。石墨烯具有独特的结构和优异的电学、热学、力学等性能,自从2004年被成功制备出来,一直是全世界范围内的一个研究热点。由于石墨烯具有巨大的表面体积比和独特的高导电性等特性,石墨烯及其复合材料在电化学领域中有着诱人的应用前景,因此,石墨烯材料的制备及其在电化学领域应用的研究是石墨烯材料研究的一个重要领域。综述了石墨烯与石墨烯复合材料的制备及其在超级电容器、锂离子电池、太阳能电池、燃料电池等电化学领域中应用的研究现状,展望了石墨烯材料的制备及其在电化学领域应用的未来发展前景。 关键词;复合材料纳米材料石墨烯 正文; 一，石墨烯复合材料的制备 石墨烯是2004年才被发现的一种新型二维平面复合材料，其特殊的单原子层决定了它具有丰富而新奇的物理性质。研究表明，石墨烯具有优良的电学性质，力学性能及可加工性。 石墨烯复合材料的制备是石墨烯研究领域的一个重要的课题，如何简单，快速，绿色地制备其复合材料，而又 采用化学分散法大量制备氧化石墨烯,并采用直接共混法制备氧化石墨烯/酚醛树脂纳米复合材料。通过AFM、SEM、FT-IR、TG等对其进行表征,结果表明,氧化石墨烯完全剥离,并在基体中分散均匀,而且两者界面相容性好,提高了复合材料的热稳定性。通过高温热处理使复合材料薄膜在兼顾形貌的同时实现导电,当氧化石墨烯含量为2%(质量分数)时,其导电率为96.23S/cm。 采用原位乳液聚合和化学还原法制备了石墨烯和聚丙乙烯的复合材料。研究表明PS微球通过公家方式连接到石墨烯的表面。通过PS微球修饰后的石墨烯在氯仿中变现良好的分散性。制备的复合材料具有优良的导电性，同时PS的玻璃化温度的热稳定性得到了提高。本研究所提出的方法具有环境友好高效的特点，渴望被采用到其他聚合物和化合物来修饰石墨烯。

膨胀石墨

膨胀石墨的性质以及应用 摘要：石墨是一种天然固体润滑剂，资源丰富，价格便宜，用途广泛。石墨具有层状结构，碱金属、卤素金属卤化物、强氧化性含氧酸都可嵌入层间，形成层间化合物。膨胀石墨是以天然鳞片石墨为原料，经化学或电化处理而得到的一种石墨层间化合物产品，被誉为世界“密封之王”。本文主要对石墨的优良特性及膨胀石墨的应用作了系统概述。 关键字：膨胀石墨；用途；发展； 前言 膨胀石墨遇高温可瞬间体积膨胀150~300 倍，由片状变为蠕虫状，从而结构松散，多孔而弯曲，表面积扩大、表面能提高、吸附鳞片石墨力增强，蠕虫状石墨之间可自行嵌合，这样增加了它的柔软性、回弹性和可塑性。膨胀石墨是生产柔性石墨板材、各种密封件的优质材料。其耐温范围宽，在-200~3600之间，在温、高压或辐射条件下工作，不发生分解、变形或老化，化学性质稳定，被广泛应用于机械、石油、化工、冶金、航海、航空航天、交通等工业领域。 1、膨胀石墨性质 膨胀石墨材料又称柔性石墨材料,是一种利用物理或化学的方法使非碳 质反应物插入石墨层间，与炭素的六角网络平面结合的同时又保持了石墨层状结构的晶体化合物。它不仅保持石墨耐高温、耐腐蚀、能承受中子流、x 射线、γ射线的长期辐照，磨擦系数低，自润滑性好，导电导热、并呈各向异性等优异的理化性质，而且由于插入物质与石墨层的相互作用而呈现出原有石墨及插层物质不具备的新性能，克服了天然石墨脆性及抗冲击很差的缺点。插有层间化合物的石墨在遇到高温时，层间化合物将分解，产生一种沿石墨层间C轴方向的推力，这个推力远大于石墨粒子的层间结合力，在这个推力的作用下石墨层间被推开，从而使石墨粒子沿C轴方向高倍地膨胀，形成蠕虫状的膨胀石墨。石墨层与层之间可“嵌”入化学物质而具有可膨胀性。如可采用硫酸处理石墨，干燥后石墨在高温下膨胀，这是由于硫酸分子“嵌”入石墨层所致。膨胀石墨薄片的膨胀特性不同于其他膨胀剂，受热达到一定温度时，由于吸留在层间点阵中化合物分解，膨胀石墨便开始膨胀，称为起始膨胀温度，在1000℃时膨胀完全，达到最大体积。膨胀体积可以达到初

石墨烯的制备与应用

石墨烯的制备与应用 2012级化工2班朱立帅摘要石墨烯的发现使热力学涨落不允许任何二维晶体在有限温度下存在的理论被重新探讨。其稳定的晶格结构使碳原子具有优秀的材料性质。本文从石墨烯的结构、特性、制备及应用前景等方面加以阐述。 关键词石墨烯；二维晶体；最薄；光学性能； 石墨煤(graphene,简称GE),作为单层的石墨结构,是目前世界上最薄却最强的材料。由于具备超高的力学性能、吸附性和导热、导电性等物理化学性能,石墨烯在材料科学与工程领域中的应用渗透到各个方面。本文主要对石墨烯的几种制备方法以及应用前景做一个简单综述。 2004年,英国曼切斯特大学科学家AndreGeim和KonstantinNovosetov,通过胶带反复剥离石墨片的方法,成功的分离出仅有一个原子层厚度的石墨单片一一石墨稀,打破了二维晶体由于热动力学不稳定而不存在的设想。两人也因此共同获得2010年诺贝尔物理学奖。近二十年来,科学家们对石墨炼产生极大的兴趣并围绕石墨炼展了广泛地研究,石墨炼在各个领域也得以应用。类似的发现引起了一股研宄石墨稀及其它二维材料的热潮,如氮化硼(BN)丨6],硫化销(MoS2) 17]等 1 石墨烯的结构与性能 石墨烯是由碳原子紧密结合,以六元环形式组成的片层材料。 (1)机械性能 单层的石墨稀虽然仅有一个原子层厚度,却是人们测量的所有材料中强度最高的材料。

(2)热学性能 炼室温下的热导率为5300 W/mK,优于碳纳米管(3500 W/mK)。石墨稀高的导热系数也进一步支持其在新电子器件中得到应用,有望成为未来超大规模纳米集成电路的散热材料[11-12]。 (3)其他性能 石墨稀为二维片状材料,且仅有单个原子层厚度,因此其具有很高的比表面积,理论值高达2630 mVg。类似于石墨表面,石墨稀可以吸附和脱附各种原子和分子。因此,石墨在废水、重金属离子和有机污染物的处理等方面具有潜在的应用价值[18_19]。 2 石墨烯的制备方法 (1)机械剥离法 机械剥离是将块状石墨分割成单原子片层的过程。在“透明胶带法”未发明之前,人们是观察不到分离的单层材料的自从首次利用微机械分离方法制备出石墨炼以来,该方法被广泛应用于制备高质量的石墨稀。 (2)氧化石墨炼(Graphene oxide, GO)还原法 制备石墨炼最广泛应用的方法是还原GO的方法。GO通常是将天然石墨粉在酸性介质下,利用强氧化剂氧化剥离而成,常用的方法有三种:Brodie法,Staudenmeier法和Hummers法。其中,改性Hummers法己经成为生产GO最普遍的方法,此法制备时间较短且无毒性副产物127_28]。 (3)化学气相沉积 化学气相沉积(Chemical vapor deposition,CVD)法是大规模生产单层或多层石墨炼最有效的技术之一。一般在高温下,通过将碳氢先驱体(例如甲院)裂解,可以在单晶和多晶过渡金属的表面生长出晶片尺寸大小的石墨烯薄膜【⑷。石墨烯的层数主要取决于碳在金属基体中的溶解性。 3 石墨烯的应用 石墨烯具有最薄、强度最高、优秀的导热导电性及高的光透过性。这些优点使其在材料领域，特别是透明导电薄膜的应用中独具优势，这类薄膜在光伏电池及液晶显示屏等方面尤为重要。另外，高效储能器件和高敏传感器等方面，石墨烯也展示出很好的应用前景。它的研究给科学领域提供了一个无限广阔和充满魅力的材料空间。 （1）制作透明电极及光学元件