石墨烯的制备及应用的研究进展

张鲁一航

摘要：石墨烯这种近代被发现的物质，有着诸多稳定的物理特性。它可以有效的与金属化合物和金属氧化物等进行结合，从而被电极材料、生物学领域、超级电容器等相关的领域所广泛的应用。如何从石墨烯中获取多层结构且具备优良的石墨烯性能原料，成为了石墨烯成功应用于各个领域的制备前提和重要步骤。本文系统介绍了石墨烯制备的多种方法，以及对石墨烯的应用的研究进展进行了探讨总结，并对石墨烯的相关制备方法进行优缺点分析。

关键词：石墨烯；制备方法；应用的研究进展

概述

曼彻斯特大学的相关人员通过对机械分离法的使用，第一次让人们从更深入的角度认识和了解了石墨烯，作为碳元素家族中的成员，石墨烯二维结构的独特性使之获得了高于其他同元素种族的关注度，这个表面积高达 2. 6 × 103 m2 /g和力学性能多达 1. 06 × 103 GPa的碳元素石墨烯，有着稳定优良的导电性，比目前投放市场使用的半导体中的锑化铟材料的迁移率高出了2倍之多。甚至是它所拥有的室温量子隧道效应和高光透射率，都成为各国科研前沿领域中所研究的热点。

一、石墨烯的制备方法

（一）外延生长法

让石墨烯生长于高温加热的大面积的单晶SiC上，在常压下或者是超真空的状态下脱除Si留下C，从而得到与其面积相仿的石墨烯薄层，这就是外延生长制备的方法。在对这种方法研究的过程中，我们发现，金属类衬底（ 包括 Cu、Ni、Co、Ru、Au、Ag 等） 和非金属类衬底（ 包括 SiC、SiO2、GaAs 等）都可以用作石墨烯的衬底材料。但尽管可用的材料种类繁多，但在使用外延生长法的过程中所制得的石墨烯仍有着厚度不够均一的现象，而且衬底材料使用种类的不同，也会一定程度上影响着石墨烯的生长，因此，这种石墨烯的制备在方法上还有很大的提升空间。

（二）机械剥离法

作为最早的一种制备石墨烯的方式方法，机械剥离法也是石墨烯真正进入我们大众视野所使用的方法。通过对石墨片从石墨中进行剥离和粘连，并通过附着在胶带上的石墨片进行同步撕开，对以上的步骤进行重复的机械性的剥离操作，最终得到了仅有一层碳原子构成的石墨烯。这种简单的操作手法虽然可以最大限度的使石墨烯层变薄，但是的都的石墨烯却是尺寸有限，价值石墨烯的层数无法控制，机械剥离法尽管有效却产量不高。

（三）金属催化法

气态碳源或者是固态碳源在一定的压强和温度及催化剂的作用之下，从基底上直接生产石墨烯，这是金属催化法的一种方式。化学气相沉积（ CVD） 法则是常用的另一种方式。

通过对高浓度的氢气和低浓度的甲烷进行常压下的化学气相沉淀，可以成功的制造出具有毫米级的六边形单晶石墨烯所构成的石墨烯薄膜。这种高质量的石墨烯的制作方式，操作简单、无污染且速度快，可作为一种快速转移高质量石墨烯的普通使用方式，并且成本低廉的金属基体还可重复使用。

但这种可以制备出大面积高质量的石墨烯的方式，尽管效果明显，但是仍存在着一些问题，由于碳元素的不可控，在制备石墨烯的过程中，无法对石墨烯的层数做出精确的控制。

（四）淬火法

淬火法的原理是通过对石墨进行快速冷却，使之产生内外温度差的应力，从而使石墨的表面产生脱落和裂痕，得到石墨烯。和传统的机械剥离相比，淬火法可以在短时间内获得大量的石墨烯，但是制备中所需的HOPG也无形中增加了制备石墨烯所需的成本。

除此之外，制备石墨烯的方法还有很多，其中包括电化学法、直接燃烧法、等等方法。但这些方法仍需很多的改进，目前不能够作为量化生产的常规方法。

二、石墨烯应用研究的进展

（一）石墨烯与超级电容器

超级电容器包括赝电容器和双层电容器以及非对称电容器，这种新型的储能装置对于石墨烯材料的使用也是十分的频繁，其中在双层电容器中国的使用尤为突出。

（二）石墨烯与电极材料

美国西北大学的研究人员在对石墨烯新方法的使用上取得了突破性的进展。并将这种具有化学稳定性和高导电性的石墨烯应用于折叠式电子设备和柔性电子产品中。这种制备方法的出现，可以大量的生产石墨烯，因此在打印电极的设备中可以也得到更好的应用。

由于石墨烯具备多种优异的性能，在日后的制备和应用能够中必将得到更加广泛的应用。

结语

针对石墨烯特性的分析，以及对石墨烯的制备方式的阐述，我们可以发现这种具有诸多性能的碳原子，可以在電子产品中得到广泛的应用。以石墨烯为中心的各项研究成果的展现，也将进一步推进工业化时代的发展。这是也是符合时代进程的必然趋势。相信在未来的研究中，石墨烯不仅仅是电子市场中的佼佼者，在电池、新型电子设备芯片和汽车新能源等方面会有着更加广阔的发展空间。

参考文献

[1]田 圆，赵倩莹，胡 靖，等. 衬底上石墨烯制备及改性研究[J]. 化学进展，2012，24（ 4） ： 512-522.

[2]于海玲，朱嘉琦，曹文鑫，等. 金属催化制备石墨烯的研究进展[J]. 物理学报，2013，62（ 2） ： 028201-1-028201-10.

[3]任文才，高力波，马来鹏，等. 石墨烯的化学气相沉积法制备[J]. 新型炭材料，2011，26（ 1） ： 71-79.

[4]王延相，刘玉兰，王丽民，等. 由聚丙烯腈基碳纤维制备石墨烯薄膜的探索研究[J]. 功能材料，2011，42（ 3） ： 520-523.