《工程综合训练报告石墨烯》由会员分享，可在线阅读，更多相关《工程综合训练报告石墨烯（19页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、为了适应公司新战略的发展，保障停车场安保新项目的正常、顺利开展，特制定安保从业人员的业务技能及个人素质的培训计划工程综合训练报告石墨烯石墨烯项目调研报告XX年1月目录一、石墨烯概述.(转载于:写论文网:工程综合训练报告石墨烯).2石墨烯定义.2石墨烯的性能.3石墨烯的制备方式.4自下而上法.4自上而下法.6石墨烯基材料的合成.9石墨烯的功能化.9石墨烯基复合材料的制备.9石墨烯的应用.10石墨烯在不同领域中的应用.10石墨烯基材料在催化领域的应用.11一、石墨烯概述石墨烯定义石墨烯是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，是只有一个碳原子厚度的二维材料。石墨烯可以看做是单质
2、碳材料的基元，富勒烯和碳纳米管都可以看成是由单层的石墨烯依照某种方式卷成的，而石墨正是由很多层石墨烯堆叠而成。石墨烯过去一直被认为是假设性的结构，无法单独稳定存在。直到XX年，英国曼彻斯特大学物理学家安德烈盖姆和康斯坦丁诺沃肖洛夫以简单的胶带机械剥离的方法获得了石墨烯1，理论方面取得了巨大成果，二人因此共同获得了XX年诺贝尔物理学奖。单层石墨烯仅有一个原子的厚度，为纳米，1毫米的石墨大约包含300万层的石墨烯，是目前已知的最薄的一种材料。国内对于石墨烯材料的定义标准为：碳原子层在1-10层的石墨烯及相关衍生物统称石墨烯材料，超过10层归属于石墨范畴。之所以以此定义是因为碳原子层在1-10层的材
3、料还能保留一部分石墨烯的特殊性能，而10层以上的材料几乎丧失石墨烯的高性能，而更趋于石墨。二维石墨烯三维石墨一维碳纳米管零维富勒烯图1.石墨烯是二维原子晶体图2.诺沃肖洛夫团队用简单的胶带剥离法得到石墨烯石墨烯的性能石墨烯是人类已知的最薄、最坚硬的纳米材料；在纳米级别上，强度是钢铁的20倍，但同时具有20%拉伸不断裂的柔性；它几乎是完全透明的，只吸收%的光；导热系数高达5300W/mK，高于碳纳米管和金刚石，常温下其电子迁移率超过15000cm2/Vs，高于纳米碳管或硅晶体高，而电阻率只约10-8m，比铜或银更低，为世上电阻率最小的材料。其优于金属单体和半导体的高导电性使其能够成为极好的导电材
4、料；高导热性使得石墨烯薄膜能够作为热界面材料使用；除此之外，石墨烯的高透光性、高比容量、高比表面积和高致密性使其成为触摸屏、锂电池负极材料、超级电容、太阳能电池和渗透膜等的理想材料。表1.石墨烯具有最强性能除了上述卓越的常规性能外，石墨烯在特定条件下还会展现特殊性能，对于自旋电子学、超速计算机、大规模IC等领域都具有重要意义。但需要注意的是，石墨烯的大部分高强性能是基于纳米级层面的测算，由于片状堆积或结晶缺陷将会使石墨烯失去大部分的性能，如何将微观级别的石墨烯组装成为宏观有序材料，并保持纳米级的性能，是其未来发展的关键。石墨烯的制备方式石墨烯自从被发现以来，引起物理学家、化学家的瞩目，成为近期
5、研究上的热点。然而，要将此材料推向实际应用，必须要发展出一个大规模且高品质合成石墨烯的制备方法。目前，石墨烯制备方法主要分为：自下而上法和自上而下法。自下而上法有机合成法稠环芳烃是碳原子通过杂化而形成的平面结构，被认为是二维石墨烯的片段，将稠环芳烃通过一定方法聚合在一起，即可构成石墨烯30-32。图3.有机合成法制备石墨烯的示意图有机合成法为石墨烯形状、大小和边缘结构的可控制备提供了美好的前景，并且制备的石墨烯纳米带较窄，有利于石墨烯在半导体工业中的应用。但这种方石墨烯制备及性能实验报告一、绪论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杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的
6、平面薄膜，只有一个碳原子厚度的二维材料。石墨烯一直被认为是假设性的结构，无法单独稳定存在，直至XX年，英国曼彻斯特大学物理学家安德烈海姆(AndreGeim)和康斯坦丁诺沃肖洛夫(KonstantinNovoselov)，成功地在实验中从石墨中分离出石墨烯，而证实它可以单独存在，两人也因“在二维石墨烯材料的开创性实验”，共同获得XX年诺贝尔物理学奖。石墨烯是已知的世上最薄、最坚硬的纳米材料，它几乎是完全透明的，只吸收%的光；导热系数高达5300W/mK，高于碳纳米管和金刚石，常温其电子迁移率超过15000cm2/Vs，又比纳米碳管或硅晶体高，而电阻率只约10-8m，比铜或银更低，为世上电阻率最
7、小的材料。因其电阻率极低，电子迁移的速度极快，因此被期待可用来发展更薄、导电速度更快的新一代电子元件或晶体管。由于石墨烯实质上是一种透明、良好的导体，也适合用来制造透明触控屏幕、光板、甚至是太阳能电池。XX年,英国曼切斯特大学科学家GeimAK等人,通过胶带反复剥离石墨片获得只有一个原子厚度的石墨单片石墨烯(graphene）。石墨烯是由单层碳原子紧密堆积成的二维蜂窝状晶格结构的碳质材料。在石墨烯被发现以前,理论和实验上都认为完美的二维结构无法在非绝对零度稳定存在,因而石墨烯的问世引起了全世界的关注。事实上,石墨烯是普遍存在于其他碳材料中,并可以看作是其他维度碳基材料的组成单元:如三维的石墨可
8、以看作是由石墨烯单片经过堆砌而形成:零维的富勒烯可看作由特定石墨烯形状团聚而成;而石墨烯卷曲后就可形成一维的碳纳米管结构。尽管石墨烯只有一个碳原子厚度,并且是己知材料中最薄的一种,然而却非常牢固坚硬,它比钻石还强硬,其强度比世界上最好的钢铁还高100倍。石墨烯也是目前己知导电性能最出色的材料,其电子的运动速度达到了光速的1/300,远远超过了电子在一般导体中的运动速度。此外,石墨烯还具有许多优异的性能:如较高的杨氏模量(1100GPa)、热导率(5000wmK)、较高的载流子迁移率(210cmvS)、巨大的比表面积(理论计算值2630mg)、铁磁性等等。这些优越的性质及其特殊的二维结构使得科学
9、家认为石墨烯拥有非常美好的发展前景。窗口电极是太阳能电池中的重要部件，窗口电极需要有良好的导电性、好的透光性和适合的功函数。目前常用的窗口电极材料是铟锡氧化物半导体透明薄膜，但是铟在地球2-1-1-152-1-1上的含量有限，同时ITO在近红外区的透光性较差，在酸性条件下不稳定以及不利于柔性器件的制备41。石墨烯被认为是替代ITO的合适材料，并已有很多小组做了相关的研究42-44。Wang等将石墨烯取代ITO用作太阳能的透明导电薄膜，取得了%的转化效率；Kalita等用石墨烯作为有机太阳能电池的透明电极，获得了%的效率，但是仍然低于ITO%的效率；Arco等用石墨烯为透明电极，获得的有机太阳能
10、电池效率为%，与ITO的%已非常接近。随着石墨烯制备质量的提高，以石墨烯为透明电极制备的太阳能电池性能已经接近ITO，同时石墨烯可以制备柔性的太阳能电池，这说明石墨烯在太阳能透明电极领域有非常好的应用前景。清华大学机械系吴德海课题组用石墨烯直接与硅接触，形成肖特基结，制备了石墨烯和硅肖特基结太阳能电池，电池效率达到了%。随后该课题组将石墨烯和碳纳米管薄膜复合在一起制备成透明导电薄膜，这种薄膜与硅形成太阳能电池，电池效率达到了%。Ihm等研究发现，石墨烯基太阳能电池的开路电压与石墨烯的层数有着非常大的关系，随着层数的增多，电池的开路电压降低。随着石墨烯可控制备的实现和应用研究的不断深入，石墨烯基
11、太阳能电池的效率还将不断提高。石墨烯气体传感器的工作原理是，当石墨烯吸附气体分子时，石墨烯的电导率会发生变化，这是因为吸附的气体分子会作为施主或者受主提供或者接受电子，从而影响石墨烯的电导率。石墨烯作为气体传感器有着非常大的优势，首先石墨烯是二维材料，所有碳原子都暴露在外；其次，石墨烯的约翰逊噪音非常小，使得石墨烯基传感器的灵敏度非常高；第三，石墨烯内部的晶体缺陷较少，热控开关产生很少的噪音；第四，四探针法的测量可以在石墨烯晶体上实现，并且形成欧姆接触，电阻非常小。Schedin等在XX年，首次制备了石墨烯基气体传感器，该传感器对NO2、NH3、H2O和CO等气体都有着非常好的检测特性。随后，石墨烯基传感器得到了广泛的研究，一些研究小组通过在石墨烯表面负载金属颗粒，提高石墨烯气体传感器的性能。Sundaram等在石墨烯的表面负载了金属钯，发现这样的石墨烯制备的传感器可以探测氢气，而不负载金属钯的石墨烯探测不到氢气。Zhang等用第一性原理研究了元素掺杂对石墨烯基气体传感器的影响，结果表明，元素掺杂可以提高石墨烯的气敏性质。这些研究的不断推进，将会促进石墨烯在气体传感器领域的应用。随着社会的发展和便携式电子设备需求量的增长，人们对超级电容器的性能提出了更高的要求，寻找合适的电极材料，一直是提高超级电容器性能的重要途径。石墨烯拥有非常好的导电性、非常大的比表面积、优异的柔韧性和良好
