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石墨烯
十一维纳米商城 / 2019-09-10

 石墨烯

 

石墨烯的导热怎么样/导热性能介绍?

 

答:石墨烯的理论热导率可以高达5000W/mK),石墨烯可以作为复合材料的添加剂来提高材料的热学性能。

 

[1]于琦, 梁锦霞. 石墨烯制备与功能化应用的研究进展[J]. 中国科学:化学, 2017(10):7-18.

 

 

 

为什么石墨烯导热好?

 

答:石墨烯依靠特殊的声子模式进行热传输,声子是晶格振动简正模能量量子,它以弹道-扩散的方式传递热量。石墨烯中参与热量传播的主要是3种声学声子,即低频和高

频的LA (longitudinal a-coustic mode )模、TA(transverse acoustic mode )模、ZA(flexural mode),前两个是面内传输模式,有着线性的散射关系,后一个是面外传输模式,存在非线

性的二次散射关系。其导热系数可由下式估算:

其中CDl 分别为声子比热,声速和平均自由程。石墨烯具有高热导率的主要原因是其碳碳之间的共价键强而碳原子质量小,声子具有较高的声速。温度和尺寸是影响声

子比热和平均自由程的两大因素,声子比热随温度的升高而增大。声子热传输模式和散射机制对石墨烯导热系数有重要影响。

 

[1]邢玉雷, 徐克, 刘艳辉, et al. 石墨烯高导热机理及其强化传热研究进展[J]. 化学工程师, 2015, 29(5):54-60.

 

 

 

石墨烯的导电能力可以让它在哪些领域得以应用,列举出科研及工业和生活中的应用

 

答:(1)传感器。石墨烯具有良好的导电性能,因而对一些特定电对及底物具有较高的电催化性能,并且其具有大的比表面积和生物相容性,可用于生物蛋白质或酶等生物大

分子的固定及特定生物电化学传感器的制作。

 

2)太阳能电池。石墨烯具有良好的透光性和导电性,将其制成透明导电膜,可作为太阳能电池的电极。

 

3)石墨烯电池。作为锂电池负极时,由于高电子迁移率而展现出优异的电池性能。

 

4)燃料电池的质子传输层

 

5)透明电极材料

 

6)热电材料的电子传输材料

 

[1]胡耀娟, 金娟, 张卉, et al. 石墨烯的制备、功能化及在化学中的应用[J]. 物理化学学报, 2016, 26(08):2073-2086.

[2]于琦, 梁锦霞. 石墨烯制备与功能化应用的研究进展[J]. 中国科学:化学, 2017(10):7-18.

 

 

 

为什么石墨烯导电性能好?

 

答:由于石墨烯的各碳原子间连接柔软并具韧性,当外力接触时,碳原子层发生弹性形变,保证了化学结构的稳定,且石墨烯中碳原子以sp2杂化连接,丌电子于轨道平面

之外垂直存在形成丌键轨道,在轨道外,电子可以自由移动,使石墨烯具有优异的导电性。杂化结构中大共轭体系也使电子传输能力很强,其电子迁移率达200000cm2V

s,电子间具有的强相互作用力使石墨烯是零带隙半导体。单层石墨烯的电子结构表现出非约束抛物线电子式分散关系,使得石墨烯具有室温量子霍尔效应。并且因为晶

格结构稳定,有作用力,电子沿轨道运行的时候,不会发生散射,常温下即使碳原子间发生碰撞,电子仍能维持基本特性。而且石墨烯中的电子运行速度是光速的1300

远远超过了电子在一般导体中的运动速度,由此可见石墨烯的导电性质十分优异。

 

[1]姚春梅,吕启松,杨光敏.石墨烯的性能[D].吉林长春:长春师范大学物理学院,2016.

 

 

 

石墨烯的简介

 

答:石墨烯是碳原子以sp2轨道杂化组成六角形蜂巢状晶格的二维(2D)晶体,可以看作是所有碳纳米材料的基础结构。石墨烯可以曲翘成零维(0D)的富勒烯(fullerence);卷曲

成一维(1D)的碳纳米管(carbon nanotube,CNT)或堆叠成三维(3D)的石墨(graphite)

 

[1]常全鸿.化学气相沉积(CVD)生长高质量的石墨烯及其性能的研究[D].上海:上海师范大学,2012.

 

 

 

生长石墨烯应该怎么选择衬底?

 

答:在大规模可控生长方面,过渡金属族衬底因其催化作用有着独到的优势。但在金属衬底上生长的石墨烯需要转移到特定基体上,该过程会对石墨烯结构和质量造成影

响。绝缘衬底,如硅或玻璃等,由于没有转移工艺,方便进一步的表征和应用。但相比在金属衬底上生长的石墨烯,其质量和层数的可控性有待提高。

 

铜和镍是目前研究最多、制备石墨烯质量最好的两种金属催化剂衬底。铜更适合制备大面积、层数可控的高质量石墨烯薄膜。

 

[1]张玮, 满卫东, 涂昕, et al. 衬底对CVD生长石墨烯的影响研究[J]. 真空与低温, 2013(4):195-202.

 

 

 

什么样的石墨烯质量最好?

 

答:拉曼光谱D峰的存在与否是衡量石墨烯样品质量高低的重要标准。D 峰与G 峰的强度比(ID/IG)和缺陷密度成正比。

 

[1]常全鸿.化学气相沉积(CVD)生长高质量的石墨烯及其性能的研究[D].上海:上海师范大学,2012.

 

 

 

 

层数对石墨烯性能的影响?

 

答:随着石墨烯层数的增加,石墨烯的透光率、载流子迁移率、导热率都会下降,但并不意味着整个石墨烯的导电、导热能力的降低。样品的摩擦力逐渐降低,到大约四个

单层石墨烯(~4MLG)之后,它的摩擦系数几乎不变,并且摩擦力也变化不大。化学法制备的石墨烯在水溶液中随着时间的延长会发生团聚。石墨烯团聚后,其优异导热性能

可能也随层数的增加而逐渐消失。

 

[1]朱齐荣. 石墨烯的纳米摩擦学及磨损性质研究[D]. 上海交通大学, 2013.

[2]周春玉, 曾亮, 吉莉, et al. 石墨烯及其复合材料导热性能的研究现状[J]. 材料开发与应用, 2010(6).

 

 

 

怎样在非金属衬底生长石墨烯(蓝宝石、硅等),质量如何?

 

答:目前报道的在非金属衬底如氧化硅、石英、玻璃等上制备石墨烯的论文又很多,较多为使用等离子体协助和金属蒸汽催化。

 

在相对低的600℃下,在氧等离子体处理过的石英表面,以乙炔为碳源生长石墨烯。石英衬底表面石墨烯样品不均匀。或在MBE设备中利用直接沉积C原子的方法在SiO2/Si

衬底上制备石墨烯薄膜,制备出来的石墨烯薄膜具有乱层堆垛的石墨烯结构特征。

 

[1]常全鸿.化学气相沉积(CVD)生长高质量的石墨烯及其性能的研究[D].上海:上海师范大学,2012.

[2]康朝阳, 唐军, 李利民, et al. SiO/Si衬底上石墨烯的制备与结构表征[J]. 物理学报, 2012, 61(3).

 

 

 

CVD石墨烯的生长方式有哪些?(铜基石墨烯和镍基石墨烯的区别)

 

答:Cu表面是碳的表面吸附自限制生长。在高温下,碳在铜中的溶解度比碳镍在中的溶解度低很多,这样碳就不会大量溶解在铜中而是在铜表面就能形成石墨烯,高温下铜

箔上生长石墨烯的过程就是--个类似于单纯的催化过程。在铜表面的催化作用下,甲烷(CH4)分子遇到高温的铜表面,就会分解成氢原子和碳原子,碳原子以sp2杂化键的方

式构成石墨烯网络。当石墨烯完全覆盖整个铜的表面时,石墨烯就会屏蔽铜的催化作用,这时铜催化分解气体碳源分子的能力就会消失,也就是说铜表面生长的石墨烯是单层

石墨烯而不是多层石墨烯,把这种石墨烯的生长方式叫做表面自限制生长。

 

Ni表面是碳的溶解析出机制。溶解析出机制:在高温条件下,碳原子在金属镍中的溶解度变大,碳原子首先在高温下溶解在金属镍中,当温度降低的时候,碳原子在金属镍中

的溶解度就会降低,这时溶解在金属镍中的碳原子就会有一部分析出到金属的表面并聚集结晶为石墨烯。

 

[1]常全鸿.化学气相沉积(CVD)生长高质量的石墨烯及其性能的研究[D].上海:上海师范大学,2012.

 

 

 

如何生长获得多层石墨烯?

 

答:可以使用等离子协助或在镍衬底上进行生长。采用 Alfa Aesar 公司购买的 250μm 厚的镍箔,纯度高达 99.5%以上,砂纸打磨去除表面氧化层,直至光亮,采用等离子增

强化学气相沉积,通入 15sccm 甲烷和 20sccm氢气,反应温度 700℃,工作压强 600PaRF 功率 200W,沉积时长 40min。在镍基底上沉积出了层状薄膜,即为石墨烯。

 

[1]刘璐. 石墨烯薄膜的RF-PECVD法制备及其特性研究[D].

 

 

 

如何在铜箔上得到多层石墨烯?

 

答:在常压的条件下, 采用化学气相沉积法在铜箔表面可以生长出双层至多层的石墨烯。常压下铜箔表面石墨烯生长迅速且接近逐层生长,常压下铜箔表面两层及两层以上

石墨烯模式同样为范德瓦耳斯外延生长模式。由于常压下分子的扩散平均自由程较小, 在铜箔表面附近会有一定浓度未扩散出去的形成石墨烯所必需的碳原子或碳自由基,

所以通入一定量的碳源后,在保温的过程中石墨烯仍然能够继续生长。石墨烯的层数随着通入碳源时间的增加在增加。如果需要较为稳定的获得多层铜基石墨烯,可以利用

金属蒸汽如铜、镍、钴等。

 

[1]李浩, 付志兵, 王红斌, 易勇, 黄维, 张继成. 铜基底上双层至多层石墨烯常压化学气相沉积法制备与机理探讨[J]. 物理学报, 2017, 66(5): 058101.

 

 

 

石墨烯目前有哪些制备方法?

 

答:1机械剥离法

用氧等离子束在高取向热解石墨(HOPG)表面刻蚀出宽20 μm- 2mm、深5μm的槽面,并将其压制在附有光致抗蚀剂的SiO/Si基底上,焙烧后,用透明胶带反复剥离出多余的石

墨片,剩余在Si 晶片上的石墨薄片浸泡于丙酮中,并在大量的水与丙醇中超声清洗,去除大多数的较厚片层后得到厚度小于10 nm的片层,这些薄的片层主要依靠范德华力或毛

细作用力(capillary forces)SiO2紧密结合,最后在原子力显微镜下挑选出厚度仅有几个单原子层厚的石墨烯片层。

 

2)氧化石墨-还原法

石墨先经化学氧化得到边缘含有羧基、羟基,层间含有环氧及羰基等含氧基团的石墨氧化物(graphiteoxide),此过程可使石墨层间距离从0.34nm扩大到约0.78 nm,再通过外力剥

(如超声剥离)得到单原子层厚度的石墨烯氧化物(grapheneoxide),- -步还原可制备得到石墨烯。

 

3化学气相沉积法

将平面基底(如金属薄膜、金属单晶等)置于高温可分解的前驱体(如甲烷,乙烯等)气氛中,通过高温退火使碳原子沉积在基底表面形成石墨烯,最后用化学腐蚀法去除金属基底后

即可得到独立的石墨烯片。

 

4外延生长法

通过加热6H-SiC单晶表面,脱附Si(0001)原子制备出石墨烯,先将6H-SiC单晶表面进行氧化或H2刻蚀预处理,在超高真空下(1.33xl08 Pa)加热至1000℃去除表面氧化物

过俄歇电子能谱(Auger electron spectroscopy)确认氧化物已完全去除后,样品再加热至1250-1450℃并恒温10- 20 min

 

5电化学方法

他们将两个高纯的石墨棒平行地插人含有离子液体的水溶液中,控制电压在10 -20 V, 30 min后阳极石墨棒被腐蚀,离子液体中的阳离子在阴极还原形成自由基,与石墨烯片中

π电子结合,形成离子液体功能化的石墨烯片,最后用无水乙醇洗涤电解槽中的黑色沉淀物, 60下干燥2h即可得到石墨烯。

 

6电弧法

在维持高电压、大电流、氢气气氛下,当两个石墨电极靠近到一定程度时会产生电弧放电,在阴极附近可收集到CNTs以及其它形式的碳物质,而在反应室内壁区域可得到石

墨烯。

 

7有机合成法

 

8其他方法

如将石墨在领二氯苯(ODCB)中超声分离得到石墨烯

 

[1]胡耀娟, 金娟, 张卉, et al. 石墨烯的制备、功能化及在化学中的应用[J]. 物理化学学报, 2016, 26(08):2073-2086.

 

 

 

碳纳米管的制备方法?

 

答:(1)电弧放电法

其方法是在真空反应室中充以一定压力的惰性气体,采用面积较大的石墨棒(直径为20 mm) 作阴极,面积较小的石墨棒(直径为10 mm)为阳极。在电弧放电过程中,两石墨电

极间总是保持1mm的间隙。阳极石墨棒不断被消耗,在阴极沉积出含有CNTsFullerenes、石墨微粒、无定形碳和其它形式的碳微粒,同时在电极室的壁上沉积有由

Fullerenes、无定形碳等碳微粒组成的烟灰(Soot)

 

2)化学气相沉积法(CVD)

含有碳源的气体(或蒸汽)流经金属催化剂表面时分解,并生成碳纤维。

 

3)激光蒸发法

1200℃的电阻炉中,激光蒸发过渡金属与石墨复合材料棒,采用流动的氩气使产物沉积到水冷铜收集器上,从而获得了大量的单层碳纳米管和多层碳纳米管

 

4)热分解聚合物法

通过热解某种聚合物或聚乙烯,有机金属化合物,得到碳纳米管。

 

5)离子束(电子束)法

通过电子束蒸发覆在Si基体上的石墨合成碳纳米管。

 

6)火焰法

通过对乙炔、氧、氩气的混合气燃烧得到附着大量非晶碳的单层碳纳米管。

 

[1]戴杰华.碳纳米管的化学气相沉积法制备的研究[D].上海:上海交通大学,2003.

 

 

 

碳纳米管的应用领域?

 

答:场致发射材料、纳米机械、碳纳米管复合材料、储氢材料、锂离子电池电极材料、超级电容电极材料、催化剂材料、特殊吸附材料、吸波材料。

 

[1]曹伟, 宋雪梅, 王波, et al. 碳纳米管的研究进展[J]. 材料导报, 2007(s1).

 

 

 

石墨烯NMP分散液的石墨烯纳米片与氧化石墨烯/还原氧化石墨烯有何不同?

 

答:(1)氧化石墨烯(GO):鳞片石墨被氧化后,在石墨烯单片间引入含氧官能团形成氧化石墨烯;

 

2)石墨烯NMP分散液的石墨烯纳米片(GNS):氧化石墨层间的含氧官能团分解,石墨烯纳米片的层间距由氧化石墨的约1 nm下降到0.38 nm,形成石墨烯纳米片;

 

3)化学还原氧化石墨烯(CRG):氧化石墨烯的含氧官能团被转移形成还原氧化石墨烯。

因此两者主要差距在于石墨烯NMP分散液的石墨烯纳米片(GNS)纯度很高,几乎没有副产物,具有大量的sp2杂化的碳原子,因此具有大量石墨烯的理论优越性能,如高

导电、高导热等,但没有水溶性,且脱离NMP溶剂后容易蜷缩。而氧化石墨烯(GO)本质上不能称称为石墨烯,其为石墨烯的衍生物,边缘拥有大量的含氧基团,且导热

导电性能大幅度下降,但具有较好的水溶性。

 

[1]左志中, 梁逵, 叶江海, et al. 超级电容器用石墨烯纳米片的制备及性能[J]. 电子元件与材料, 2012, 31(3):20-23.

[2]张佳利. 化学还原氧化石墨烯及其衍生物的制备、性质和应用研究[D]. 上海交通大学, 2011.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 
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