论文总字数：12794字

摘 要

石墨烯（Graphene）又名纳米石墨片，是一种蜂窝状二维晶体，由单层六角元胞碳原子组成。作为碳纳米管的一部分，它和碳纳米管有许多同样的性质，如很好的导热性和导电率。更重要的是它的厚度为只有0.335 nm，尺度为几微米至几十微米之间，这样使得石墨烯拥有很高的长径比(长度和厚度之比)，使石墨烯可以成为很好的场发射材料。人们普遍看好石墨烯在电子、通信、材料和医药等方面的重大应用前途。

本论文从廉价的天然石墨出发，采用改进hummer法制备氧化石墨，并用对环境影响较小的强还原剂乙二醇还原GO（氧化石墨烯），并对产品通过X射线衍射(XRD)和红外光谱(IR)进行表征和形貌分析。

关键词：氧化石墨 石墨烯 天然石墨

Preparation of Graphene from Nature Graphite

Abstract

Graphene, also called nano graphite sheet, is a two-dimensional honeycomb crystal consisting of a single layer of six - angular cellular carbon atoms. As part of carbon nanotubes, it has many same properties as carbon nanotubes such as good thermal conductivity and conductivity. Even more important is its thickness is only 0.34 nm and the scale is between a few microns and tens of microns what makes Graphene have a high aspect ratio (length and thickness ratio). So that Graphene can become a good field emission material. It is widely believed Graphene has great application in the electronic, communication, materials and medicine, etc.

This article is mainly about preparation of Graphene from Nature Graphite. The GO was prepared from cheap nature graphite by the improved Hummers method. The grapheme was characterized by X-ray diffraction and infrared spectrometer.

Key Words: nature graphite; Graphene; graphite oxide

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 引言 1

1.1 石墨烯的发现 1

1.2 石墨烯的结构 1

1.3 石墨烯的性质 2

1.3.1 导电性 2

1.3.2 透明性 2

1.3.3 稳定性 3

1.3.4 机械特性 3

第二章 石墨烯的制备、应用与发展前景 4

2.1 石墨烯的制备 4

2.1.1 机械剥离法 4

2.1.2 外延生长法 4

2.1.3 化学气相沉积法 5

2.1.4 氧化石墨还原法 5

2.1.5 其他方法 5

2.2 石墨烯的应用 6

2.2.1 太阳能电池 6

2.2.2 场效应晶体管 6

2.2.3 光学器件 7

2.3 石墨烯的发展前景 8

2.3.1 全球市场 8

2.3.2 中国方面 10

第三章 氧化石墨的制备与表征 11

3.1 氧化石墨的制备 11

3.1.1 主要试剂 11

3.1.2 实验设备 11

3.1.3 流程图 12

3.1.4 实验步骤 12

3.2 氧化石墨的表征 13

3.2.1 XRD 13

3.2.2 IR 14

3.2.3 数据分析 14

第四章 石墨烯制备与表征 16

4.1 石墨烯的制备 16

4.1.1 流程图 16

4.1.2 实验步骤 16

4.2 石墨烯的表征与分析 16

4.2.1 XRD表征 16

4.2.2 IR表征 17

4.2.3 数据分析 17

参考文献 19

第一章 引言

1.1 石墨烯的发现

早年科学家们关于石墨烯（Graphene）的存在，一直存在着很多的争议。1934年，Peierls提出理论认为这种二维晶体是不能在室温下稳定存在的，因为其发现这种材料因为本身的力学不稳定性会在很快的分解。1966年，在Mermin与Wagner联合提出的Mermin-Wagner理论中，指出石墨烯这类长程有序的二维晶体也会受到长波长起伏的破坏^[1]。于是石墨烯这种二维晶体一直只是被科学家们作为一种研究碳质材料时的完美理论模型，人们并没有对其产生广泛的关注。直到2004年，来自英国曼切斯特大学的海姆和诺沃肖洛夫第一次成功分离出了石墨烯晶体且能长期而又稳定的存在，而且他们所使用的分离出这种晶体方法也非常简单，他们首先在一种特殊的定向胶带将石墨薄片粘住，将胶带有粘性的一面对折，然后再将其撕开，如此石墨薄片就能够成功的被胶带分为二分之一。随着此流程的重复不断，片状石墨也随之变得愈来愈薄，最终就可以得到少量且可以稳定存在的石墨烯了^[2]。

1.2 石墨烯的结构

石墨烯的蜂窝状晶格结构属于二维晶体的层面，这种结构由原子堆积而成，且排列的十分紧致，因此石墨晶体薄膜的厚度相当于数层碳原子的厚度，只有0.335 nm，这个尺度甚至只有头发的二十万分之一，是构建诸如零维富勒烯、一维纳米碳管、三维石墨等其他维度碳材料的基本单位，且电学性以及结晶性非常卓越。完美的石墨烯是只包括六角元胞（等边六角形）的二维的晶体；如果存在有五角元胞（等角五边形）或者七角元胞（等角七边形），则会构成石墨烯之内的罅隙^[3]。少量的五角元的存在会导致石墨烯扭曲成形状；五十二角元胞会形成富勒烯(C₆₀)。石墨烯的理论研究已使用超过60年，并已被用于描述不同结构的碳材料的属性。上世纪80年代，人们认识到可以将石墨烯看做量子电动力学中(2 1)维的理论模型，而且效果理想。但科学家们一直认为这种严格的二维晶体结构因为其热力学不稳定性而难以独立且稳定的存在所以只能是一个理论模型。不过在2004年由英国曼彻斯特大学的海姆和诺沃肖洛夫等使用胶带剥离高定向石墨的方式得到了可以独立存在的石墨烯晶体，并发现石墨烯载体颗粒的相对性能，导致产生了以后一系列的研究。在进过短短数年的深入研究后里，石墨烯充分展示了它的在理论与应用方面的无限潜力，迅速成为材料科学和凝聚态物理领域最前沿研究对象。

1.3 石墨烯的性质

1.3.1 导电性

面心立方堆积（Cu），六方堆积（Mg），体心立方堆积（K）的金属的导电机理：金属可以通过自由电子的定向移动来导电，而金属键之间却并不是那么的牢固，因此，金属中往往会出现例如空穴和杂原子等晶体罅隙，这些罅隙会破坏金属内部规则的晶体结构，当电子通过这些罅隙时，很容易发生散射，导致电子在金属中定向移动的速率会下降，从而使导电性降低^[4]。石墨烯最大的特色是在其内部的电子的运动速率可以到达光速的三百分之一，远远比电子在一般导体中的运动速率要高得多。这使得石墨烯中的电子特性与相对论中的中微子非常类似。

石墨烯的导电机理：因为石墨烯中的原子都是可以的介入到离域之中的，所以整个片层上下两侧的电子可以自由移动。并且石墨烯中因为共价单键十分稳定所以不会出现某些位置的碳原子缺失或被杂原子替换，这充分保证了其中大π键的完整，因为不会受到晶体缺陷的干扰，所以电子在其中移动时，可以得到很高的传导速率，因此造就了拥有着卓越的导电能力的石墨烯^[5]。

1.3.2 透明性

由于石墨烯是单薄片状态的晶体，光子尽管不可以穿透其中的原子核，然而，可以穿透碳原子核之间相对巨大的空间，因此可以说石墨烯是一种透明的物质，即使当几个石墨烯分子层叠加在一起的时候，因为排列很整齐的碳原子核之间存在着很大空隙，使得光可以轻易穿透间隙从而显现出一种透明的状态。虽然单薄片状态只有单层原子厚度，但石墨烯同时也具有相当的不透明度：可以吸收大概2.3 %的可见光^[6]。

1.3.3 稳定性

石墨烯的结构：石墨烯中碳原子的连接方式均为共价键，共价键中所蕴含的键能相对于分子间的范德华力、氢键等要高，所以相对于其他连接方式不容易被破坏。由于石墨烯其实就是由一个大的离域π键为基本结构的，其中C-C键的强度甚至要高于金刚石中的单键。以此为依据，石墨烯的稳定性不仅可以媲美金刚石，甚至更加稳定。

1.3.4 机械特性

石墨烯的硬度如此之高，原因是碳原子核的径方向面上碳原子或其中的绕核电子只是在存在、运动着，而原子核两极的轴方向上是没有绕核电子的。原子核排列在石墨烯的表面，面对外部物质及其撞击时，撞击不是在核电核而是直接影响在原子核，所以显示出石墨烯表面很硬^[7]。

第二章 石墨烯的制备、应用与发展前景

2.1 石墨烯的制备

2.1.1 机械剥离法

石墨层片之间以较弱的范德华力结合，简单施加外力即可从石墨上直接将石墨烯“撕拉”下来。盖姆等人于2004年用一种较简单的方法——机械剥离法成功地从高定向热解石墨上剥离并观测到单层石墨烯薄膜^[8]。机械剥离法的主要思路是用胶带黏住石墨烯的两侧反复玻剥离而获得石墨烯。该方法得到的石墨烯宽度一般在几微米到几十微米，最大可以达到毫米量级，肉眼即可观察到。

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