石墨烯及其复合材料的研究进展
廖婷婷1，丁义超1，鲜勇1,2
【摘 要】摘要：石墨烯以其在力、热、光、电和磁等方面具有的优异物化性能和独特的二维结构成为国内外材料领域的研究热点。本文主要介绍了石墨烯的主要制备方法、石墨烯复合材料的分类、石墨烯复合材料的应用，并对国内外石墨烯的研究现状进行了评述。 【期刊名称】炭素
【年(卷),期】2017(000)004 【总页数】4
【关键词】石墨烯；制备方法；复合材料；应用；研究进展
引 言
石墨烯又名“单层石墨片”，是指一层密集的、包裹在蜂巢晶体点阵上的碳原子，碳原子排列成二维结构，与石墨的单原子层类似，是由单层碳原子紧密堆积成二维蜂窝状晶格结构的一种新型碳材料，是构建其他维度碳材料的基本单元（如图1和2所示）[1]。它分解可以形成零维的富勒烯，卷曲可以形成一维的碳纳米管，叠加可以形成三维的石墨。石墨烯的发现迅速成为材料科学和凝聚态物理领域的研究热点，引起了科学界新一轮的“碳”热潮。本文从石墨烯及其复合材料的研究进展出发展开论述，拓展石墨烯复合材料应用的新思路。
1 石墨烯的制备方法
如何制备高质量、大面积、尺寸可控、层数可控的石墨烯已经成为研究的热点。石墨烯的制备方法主要有机械剥离法、氧化还原法、化学气相沉积法、外延生长法等[2]。
1.1 机械剥离法
所谓机械剥离法，就是通过对石墨晶体施加机械力（摩擦力、拉力等）将石墨烯或石墨烯纳米片层从石墨晶体中分离出来的方法。2004年，曼彻斯特大学Geim等[3]即采用机械法从高定向热解石墨（HOPG）上剥离出单层石墨烯。他们在HOPG表面用氧等离子刻蚀微槽，并用光刻胶将其转移到玻璃衬底上，用透镜胶带反复撕揭，然后后将玻璃衬底放入丙酮溶液中超声清洗，并在溶液中放入单晶硅片，单层石墨烯会在范德华力作用下吸附到硅片表面。后来的机械法简化为直接用胶带从HOPG上揭下一层石墨，然后在胶带之间反复粘贴，石墨片层会越来越薄（其中包含单层石墨烯），再将胶带贴在衬底上，单层石墨烯就转移到衬底上了。目前微机械分离法是制备石墨烯最为简单直接的方法，且制备成本低，样品质量高，可获得的石墨烯尺寸可达100μm，但此法产量低且不可控，不能满足工业化和规模化生产要求，而且从大片的厚层中寻找单层石墨烯比较困难，同时样品中还存在少许胶渍，表面清洁度不高，限制了其应用领域[4]。目前，已出现搅拌球磨、行星球磨等新型的机械剥离法[5]。华侨大学的陈国华教授等利用行星球磨在二甲基甲酰胺（DMF）的辅助下研磨膨胀石墨，得到了单层石墨烯和几层石墨烯组成的纳米片层，TEM、AFM等表征手段都证实了这一结果[6]。这些开创性工作为宏量制备石墨烯及其复合材料奠定了基础。
1.2 氧化还原法
氧化还原法制备石墨烯的具体过程如下：将天然石墨通过Standenmaier法、Brodie法、法、Hummers法等得到氧化石墨后，经过超声分散制得氧化石墨烯（单层氧化石墨），然后对氧化石墨烯进行还原（化学液相还原、热还原、等
离子体法还原、超临界水还原、光照还原、溶剂热还原、微波还原等）得到石墨烯。石墨为憎水性物质，而氧化石墨含有羟基、羧基、羰基和环氧基等亲水基团。当把氧化石墨分散在水中或者其他有机溶剂中时，经过适当的超声波振荡，极易形成均匀稳定的氧化石墨烯溶液，经过还原，即可得到石墨烯。 相比其他方法，氧化还原法具有两个重要的优点：原料石墨的价格低廉，通过简单地还原就能获得高产量的产品；产物的亲水性好，可以形成稳定的胶体溶液，利于微孔结构的自组装，适合石墨烯的大规模生产。缺点是制备过程中，其晶体结构易被破坏，引起缺陷，并且获得的粉体状石墨烯比表面积太大易团聚，使得石墨烯质量低，也会导致物化性质的部分缺失，特别是导电性。 杨勇辉等[7]采用改进的Hummers法对天然鳞片石墨进行氧化处理制备氧化石墨，经超声分散，然后在水合肼的作用下加热还原制备了在水相条件下稳定分散的石墨烯。用红外光谱、拉曼光谱、扫描探针显微镜和ζ电位仪对样品进行了结构、谱学、形貌和ζ电位分析。结果表明，石墨被氧化后形成以C=O、C-OH、-COOH和C-O-C等官能团形式的共价键型石墨层间化合物；还原氧化石墨后形成的石墨烯表面的官能团与石墨的相似；氧化石墨烯和石墨烯在碱性条件下可形成稳定的悬浮液；氧化石墨烯和石墨烯薄片厚度为1.0nm左右。 盛凯旋等[8]提出了一种以抗坏血酸钠为还原剂,通过化学还原氧化石墨烯制备高性能石墨烯自组装水凝胶的方法。用扫描电镜,流变及电导率测试,光电子能谱,X-射线晶体衍射和拉曼光谱等手段对该石墨烯水凝胶的结构与性能进行了表征。结果表明：化学还原氧化石墨烯对形成石墨烯水凝胶具有决定性作用。该石墨烯水凝胶具有优异的导电性、机械强度和电化学性能。 1.3 化学气相沉积法
石墨烯及其复合材料的研究进展
