新型石墨烯复合材料的制备及应用 材料科学与工程专业VIP免费

新型石墨烯复合材料的制备及应用摘要:石墨烯是新发现的二维碳质材料，具有优良的力学、电学、光学、热学性质，成为近几年材料领域研究的热点之一。然而在没有保护剂存在时，化学还原的石墨烯之间由于存在范德华作用力而容易发生聚集，限制了其进一步研究和应用。本文致力于研究简便、易行的制备石墨烯的方法，并将其应用于电化学生物传感器的制备中。关键词：石墨烯，多巴胺，Pt纳米颗粒ABSTRACT:Grapheneisakindofnoveltwo-dimensionalcarbonmaterial.Duetoitsexcellentmechanics,electronic,opticicalandthermalproperties,ithasbeenoneofthe“hotspots”inmaterialscience.However,thereducedGOhasatendencytoagglomerateirreversiblythroughvanderWaalsinteractionsintheabsenceofapolymerdispersantorsurfactant,whichrestrictitsfurtherresearchandapplication.Inthisstudy,wearededicatedtothestudyofsimpleandfeasiblemethodofpreparationgrapheneanditsapplicationsinelectrochemicalbiosensors.1.石墨烯研究概况1.1石墨烯的发现及性质近年来，石墨烯成为各国学者研究的热点之一。科学界一直进行着关于准二维晶体是否存在的争论。1934年，Landau和Peierls就认为严格的二维晶体在热力学上是不稳定的，在标准谐函数近似下，在任何有限温度下二维晶体中的热涨落作用会破坏晶体的长程有序性，导致二维晶格的熔化。1966年，Mermi和Wagner提出的Mermin-Wagner理论也认为二维晶体材料不能稳定地存在。2004年Manchester大学的Geim小组首次用机械剥离法获得了具有理想二维结构和奇特电学性质的碳的同素异形体-石墨烯，推翻了“热力学涨落不允许二维晶体在有限温度下自由存在”的认知，震撼了整个物理界。石墨烯是由单层碳原子紧密堆积而成的具有蜂窝状晶格结构的二维纳米材料，其特殊的二维结构，使其具有完美的量子隧道效应、半整数的量子霍尔效应和从不消失的电导率等一系列特殊的性质。石墨烯可以看作是构建其它维数碳材料的基本单元，可以翘曲成零维的富勒烯，卷曲成一维的碳纳米管(CarbonNanotube)，堆垛成三维的石墨。结构完整的石墨烯是由不含任何不稳定键的苯六元环组合而成的二维晶体，只包括六角元胞。每个碳原子通过σ键与最近的三个碳原子相连，这些很强的C-C键使得石墨烯片层具有很强的结构刚性，剩余的p电子在垂直于石墨烯平面的平面上形成共轭π键所示），π电子在晶体中自由移动使得石墨烯具有良好的导电性。五角元胞和七角元胞的存在会导致石墨烯的缺陷。少量的五角元胞会使石墨烯翘曲，12个五角元胞存在时石墨烯翘曲形成富勒烯。1.2石墨烯的制备机械剥离法:2004年Novoselov等通过机械剥离法第一次成功制备出最大宽度可10nm的单层或者薄层石墨烯片。此法主要是对高度取向热解石墨(HOPG)进行预处理，用透明胶带反复剥离后得到厚度小于10nm的片层。通过该方法得到的石墨烯片有着完美的晶体结构，缺陷较少，但是石墨烯的尺寸难以控制且产率较低，只适合进行理论研究，不适合大规模生产，限制了其实际应用价值。化学气相沉积法:化学气相沉积法(CVD)是目前工业上大规模制备半导体薄膜材料的方法，为石墨烯的可控制备提供了一种有效的方法。CVD过程是指将金属基底置于高温可分解的前驱体(如甲烷、乙烯等)气氛中，通过高温退火使碳原子沉积在固态基底表面上形成石墨烯，利用化学腐蚀法去除金属基底即可得到独立的石墨烯片。通过化学沉积法(CVD)能得到尺寸较大(可达到平方厘米级)的石墨烯。Ruoff在CH4和H2的混合气氛下，采用CVD法在Cu箔基底表面成功制备出高质量、大面积的石墨烯。且用这种方法得到的石墨烯大部分是单层的，多层石墨烯的含量小于5%。Kong提出了一种在多晶Ni薄膜上大量生产尺寸可达厘米级别的石墨烯的方法。与机械剥离(HOPG)相比，该法具有成本低，可在环境压力下大量生产及多晶Ni薄膜可循环利用等优点。Duesberg报道了一种新型可控催化CVD法，采用乙炔作为前驱气体，可以在750°C下制备高质量、大面积石墨烯。Ajayan等采用乙烷离子液体代替气体前驱体，在多晶C基底表面制备得到均一的单层石墨烯。氧化石墨还原法:氧化石墨还原法，是先将石墨深度化学氧化...