电化学法制备石墨烯-Cu纳米复合材料及应用(2)

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1.2 石墨烯的结构与性质

石墨烯是一种由碳原子构成的单层片状结构的新材料，是一种由碳原子以sp2杂化碳原子组成的六角形蜂巢晶格的薄膜且厚度只有一个碳原子直径（图1）。

石墨烯结构示意图

图1.石墨烯结构示意图

石墨烯是世界上已知的最薄、最坚硬的纳米材料，具有高导热性质，导热系数高达5300W/m·K ，而电阻率更是极低，只约10-8Ω·m，是世界上电阻率最小的材料。

1.3 石墨烯的制备方法

1.3.1 氧化石墨还原法

氧化石墨还原法制备石墨烯是将石墨片分散在强氧化剂性混合酸中，如浓硝酸和浓硫酸，再加入高锰酸钾或氯酸钾等强氧化剂氧化得到氧化石墨（GO）水溶胶，然后经过超声处理得到氧化石墨烯，最后通过还原得到石墨烯。这是目前最常用到的制备方法。论文网

制备氧化石墨（GO）的方法一般有Standenmaier法、Brodie法、和Hummers法[2]。制备的基本原理均为先用强质子酸处理石墨，形成石墨层间化合物，然后加入强氧化剂对其进行氧化。GO还原的方法还包括化学液相还原、热还原法、等离子体法还原、超临界水还原法、溶剂热还原法等[3-4]。

1.3.2 化学气相沉积法

化学气相沉积[5,6]法是目前应用最广泛的一种大规模工业化制备半导体薄膜材料的技术，能够满足规模化制备高质量、大面积的石墨烯要求，但成本较高、工艺较为复杂及需要精确的控制条件。原理是将一种或多种气态物质导入到一个反应腔内发生化学反应从而生成一种新的材料趁机在衬底表面。

有个例表明若采用微波增强化学气相沉积法在包裹着Ni的Si衬底上生长出来约20nm厚度的花瓣状的石墨片，且对微波功率大小对石墨片形貌的影响进行了研究，得出微波功率越大，石墨片越小，但密度更大，制备出的石墨片则含有较多的Ni元素。

1.3.3 外延生长法

外延生长方法包括碳化硅外延生长法和金属催化外延生长法。碳化硅外延生长法是指在高温下加热SiC晶体，使得其中的Si原子被蒸发而脱离表面，余下的C原子通过重组形成石墨烯，从而得到基于SiC衬底的石墨烯。此方法需要高温、高真空等苛刻的条件，并且制得的石墨烯不易分离，不能用于大量制造石墨烯。

　　金属催化外延生长法是在超高真空条件下将碳氢化合物通入到具有催化活性的过渡金属基底如Pt、Ir、Ru、Cu等表面，通过加热使吸附气体在金属表面催化脱氢从而制得石墨烯。此法所制备出的石墨烯多为单层，且可以大面积地制备出均匀的石墨烯

1.3.4 机械剥离法

机械剥离法或微机械剥离法是最简单的一种方法，是由较大的晶体上直接将石墨烯薄片剥离而来。

具体工艺过程是先利用氧等离子在厚度为1mm的高定向热解石墨表面进行离子刻蚀，然后用光刻胶将其粘到玻璃衬底上，然后用透明胶反复粘贴，之后将剩余的高定向热解石墨除去并将粘有微片的玻璃衬底放入丙酮溶液中进行超声，最后利用硅片与石墨烯之间的范德华力和毛细管作用力将石墨烯吸附在硅片上分离出来，此方法能制出厚度只有几个原子层的石墨烯片。然而，尽管此方法能够制得晶格完好的高品质的石墨烯片，但是它费时费力，重复性差，并且难以准确掌握尺寸，无法可靠的制备出长度足够的石墨烯，从而无法满足工业化需求。

1.3.5 液相或气相直接剥离法文献综述

液相和气相直接剥离法指的是直接把石墨或膨胀石墨加在某种有机溶剂或水中，借助气流、加热、超声波的作用制备一定浓度的单层或者多层石墨烯溶液。利用气流的冲击作用，可以提高剥离石墨片层的效率，以膨胀石墨为原料，微波辐照下能够发现，当作溶剂的时候能提高石墨烯的总产率。而在高温之下，溶剂分解产生的氨气便能够渗透到石墨片层中，当气压超过一定数值时，便能够克服石墨片层间的范德华力，从而使石墨剥离。另外有研究表明，当溶剂和石墨烯的表面能相匹配时，溶剂与石墨烯之间的相互作用力可以平衡石墨烯所需的能量，从而能够较好的剥离石墨烯的溶剂的表面张力的范围是40～50 mJ/m2，而长时间的超声分散在N-甲基-吡咯烷酮中的石墨则能使石墨烯的浓度高达1.2 mg/mL。