纳米新材料石墨烯究竟为何物？为何广受青睐

石墨烯作为新兴战略材料之一，具有结构稳定、导电性高、韧度高、强度高等性能，石墨烯是紧密堆积成二维六方蜂窝状晶格结构的单层碳原子，各碳原子之间以sp²杂化方式相连，C—C之间夹角为120°，键长约为0.142 nm，键能很强，结构非常稳定。下面就先来介绍一下石墨烯的制备方法。

石墨烯的制备方法

1、机械剥离法

机械剥离法是最早制备石墨烯的一种方法。Novoselov在首次发现石墨烯时就是使用的该方法。在实验中，首先将石墨片剥离出石墨，继而将石墨片的两面粘在一种特殊的胶带上，在撕开胶带的同时将石墨片分开。不断进行这样的机械力剥离操作，得到的石墨片越来越薄，最终得到的就是仅由一层碳原子构成的石墨烯，石墨烯层的尺寸为d≥3 nm，约100μm长，并且肉眼可见。机械剥离法的方法易于操作，但是制备得到的石墨烯尺寸有限，并且无法控制石墨烯的层数，且产量不高。

2、外延生长法

Berger等通过高温加热大面积的单晶SiC使石墨烯生长于其上，在超真空或常压下脱除Si 留下C，继而得到与原SiC差不多面积的石墨烯薄层。在研究外延生长制备石墨烯的过程中发现，可用作石墨烯衬底的材料种类很多，分为非金属类衬底(包括SiC、SiO₂、GaAs等) 和金属类衬底( 包括 Cu、Ni、Co、Ｒu、Au、Ag等)。Sprinkle和Heer研究小组采用在超高真空下加热至1000℃去除表面氧化物，再在SiC表面通过加热来促使石墨烯的生长。Emtse等使用常压下SiC 表面生长石墨烯，得到的石墨烯在T = 27K的电子迁移率可达2000 cm2V－1·S－1，室温下可达2700 cm2V－1·S－1。但是外延生长法制得的石墨烯仍然无法达到均一厚度，并且使用的衬底材料不同也会对石墨烯的生长有不同的影响，促使石墨烯不易从衬底材料上分离开来。因此，此制备方法仍然需要进一步实验与研究。

3、金属催化法

金属催化法是指固态或气态碳源在一定的温度、压强及催化剂的作用下在基底上直接生成石墨烯的方法，常用的有化学气相沉积(CVD) 法和金属催化法两种方法。中科院金属所沈阳材料科学国家(联合)实验室任文才团队采用贵金属铂生长基体，以低浓度甲烷和高浓度氢气通过常压CVD法，成功制备出了毫米级六边形单晶石墨烯及其构成的石墨烯薄膜。通过该研究组发明的电化学气体插层鼓泡法，可将铂上生长的石墨烯薄膜无损得转移到任意基体上。转移得到的石墨烯具有很高的质量，将其转移到Si/SiO2基体上制成场效应晶体管，测量显示该单晶石墨烯室温下的载流子迁移率可达 7100 cm2 V－1·S－1。该方法操作简单、速度快、无污染，并适于钌、铱等贵金属以及铜、镍等常用金属上生长的石墨烯的转移，金属基体可重复使用，可作为一种低成本、快速转移高质量石墨烯的普适方法。为石墨烯在高性能纳电子器件、透明导电薄膜等领域的实际应用奠定了材料基础。

现在已有科学家对于外延生长法及金属催化法中石墨烯与各类衬底之间的作用机理进行研究，包括衬底界面与石墨烯生长之间原子成键的相互作用及机理、晶格匹配、电子交换与转移; 对于不同形貌的界面结构与石墨烯原子之间的作用等对于石墨烯生长的影响; 衬底材料为金属时的活泼性对石墨烯生长的影响; 衬底结构、形貌等对石墨烯的结构与带隙的影响等问题。

石墨烯的应用

1、石墨烯在电池材料中的应用

碳基载体一般在燃料电池中作为承载贵金属催化材料的载体，在现今市场上的催化剂中贵金属催化与碳基材料之间的相互作用弱，在使用过程中贵金属粒子容易迁移、团聚和中毒，从而导致活性快速衰减。使用石墨烯作为燃料电池中贵金属的碳载体的应用特点如表 1 所示

为得到石墨烯作为碳载体与贵金属催化剂能够有效结合的复合体，所使用的制备方法有同步还原和分步还原制备贵金属/石墨烯复合体、原位自生模板法制备的石墨烯/贵金属复合体等方法。同步与分步还原法使用的是氧化石墨还原成为石墨烯，采用这两种方法都能够成功制备石墨烯/贵金属( Pt、Pd)复合体。Zhao等使用牺牲模板法得到了石墨烯载体的尺寸均一且分散性好的 Pd 催化颗粒，研究结果指出石墨烯在燃料电池阳极催化中的研究目标应向着能够使得Pt、Pd、WC 等催化颗粒均匀分散地生长在石墨烯表面以及在不改变催化活性的基础上进一步降低贵金属的用量这两个方面深入，以此来拓宽石墨烯作为低温燃料电池阳极催化领域中的应用前景。

2、石墨烯在纳米电子器件领域的应用

现在使用的计算机一般使用的芯片都是硅基，在进行运算的过程中存在发热的现象，因此硅基在室温条件下每秒钟只能执行一定数量的操作，而石墨烯具有良好的导热性和电子迁移率。电子在其中的运动是几乎不受任何阻力的，比使用硅器件的计算机运行速度要快得多。结合硅基及石墨烯两者的特点及优势，如良好的导热性、电子迁移率、导电性、和巨大的比表面积等，对于硅原子掺杂石墨烯纳米带进行研究，能拓宽石墨烯纳米带在纳米电子器件领域的进一步应用。

3、石墨烯在超级电容器中的应用

超级电容器分为双层电容器、赝电容器和非对称电容器，它是一种新型储能装置。石墨烯材料一般应用于双层电容器中，比表面积、导电性和孔径大小及分布是作为双电层电容器存储电量材料的几个至关重要的因素。

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