文 献 综 述

摘要：自2004年石墨烯被首次剥离出来以后，因其完美的单层碳原子结构和独特的物化性能引起人们极大的研究热情。石墨烯纳米卷是由石墨烯纳米片发生形变卷曲而形成的兼具碳纳米管和石墨烯良好的力学和电学性能的新型一维碳材料，因其独特的拓扑结构而展现出一些独特的光电性能。同时由于石墨烯纳米卷结构非封闭而且内径可调，因此它在储氢、电池、超级电容器、微纳米器件等方面有广阔的应用前景。本报告综述了近年来石墨烯纳米卷的几种制备方法以及石墨烯复合材料纳米卷的制备与表征方法。

一、前言

自从碳纳米管、炭黑、足球烯和石墨烯等碳纳米材料被陆续发现以来，纳米科学快速发展壮大，激发了科研工作者极大的研究热情，纳米科学成为最热门的研究领域之一。随着石墨烯纳米带等新型材料的加入，碳纳米材料的范畴得到了极大的拓展。目前，发生形变卷曲的石墨烯形成的具有特殊的一维纳米结构的产物激发了科研工作者的研究兴趣，并命名为石墨烯纳米卷。

自石墨烯纳米卷被发现以来，很长一段时间石墨烯纳米卷的研究没有进展，其原因可能是合成石墨烯纳米卷的条件比较苛刻，并且在制备过程中产生的副产物较多很难分离纯化^[1]。石墨烯纳米卷最开始被认为是有缺陷的碳纳米管，后来有人经过高倍率X射线衍射分析认为石墨烯纳米卷是一种与碳纳米管不同的具有开放式结构的新型碳材料。然而在当时石墨烯纳米卷的开放式结构并未引起科研工作者的重视，人们仅对它的性质和稳定性做了一些理论研究，几乎没有人对石墨烯纳米卷的制备和实际应用展开深入研究^[2]。近年来，石墨烯纳米卷的研究才取得了突飞猛进的进展。石墨烯纳米卷具有底部和边缘开放式的结构、可调的层间距、高导电导热性能，因而在电池、超级电容器、传感器、药物载体^[3-5]等领域展示出了优越的性能和潜在的应用价值。目前被广泛应用在实验室制备石墨烯纳米卷的方法主要有超声剥离法、表面张力诱导成卷法、Langmuir-Blodgett压缩法、分子梳法等。

二、制备石墨烯纳米卷的主要方法

（一）超声剥离法

超声剥离法是指在石墨原子层之间插入插层化合物，插层化合物可以扩大石墨层间距使石墨片层分离，然后利用超声使分离的石墨片层发生形变卷曲，从而可以制备出碳纳米卷。Viculis^[6]和Savoskin^[7]分别使用KC₈插层化合物和硝酸石墨插层化合物制备出了碳纳米卷。但是由于在制备石墨插层化合物KC₈时会引入钾单质，钾单质非常容易与水反应发生爆炸，因此，需要在惰性气氛的保护下进行。而采用硝酸石墨插层化合物虽然避免了这种苛刻的条件但是在制备过程中会释放NO、NO₂、CO等有毒气体。

（二）表面张力诱导成卷法

2009年，李群庆课题组^[8]发现了一种简单有效的方法来制备高质量石墨烯纳米卷，通过使用异丙醇来诱导固定在SiO₂/Si衬底上的单层石墨烯发生形变卷曲。将机械剥离制备的单层石墨烯浸入到异丙醇溶液中，当异丙醇与石墨烯表面接触，会在石墨烯表面产生应力，从而驱使石墨烯边缘从衬底上翘起，而翘起的部分由于溶液环境的扰动会发生卷曲。一旦翘起的部分接触到石墨烯表面的其它部分，重叠部分的Π-Π相互作用就会降低石墨烯总的自由能，卷曲过程就会继续进行下去，形成石墨烯纳米卷并脱离衬底。^[4]这种方法形成的石墨烯纳米卷缺陷较少，但产率较低，尺寸较小。所制备的石墨烯纳米卷尺寸大小与机械剥离制备石墨烯纳米片的尺寸大小相关，条件不可控。