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石墨烯科普系列之石墨烯和它的兄弟们

2016-1-26 15:17| 发布者: 书书爱材料| 查看: 1580| 评论: 10|来自: 材料人网
摘要: 上期我们简要介绍了碳的同素异形体。本期将主要讲解石墨烯与石墨、碳纳米管之间的联系。完美的石墨烯仅包括六边形单元,由sp2杂化成键形成稳定的二维结构。如果引入五边形和七边形,就会在平面结构中形成缺陷。如果 ...
上期我们简要介绍了碳的同素异形体。本期将主要讲解石墨烯与石墨、碳纳米管之间的联系。

完美的石墨烯仅包括六边形单元,由sp2杂化成键形成稳定的二维结构。如果引入五边形和七边形,就会在平面结构中形成缺陷。如果只有一个单独的五边形存在,石墨烯会形成圆锥形。如果有12个五边形,则会形成一个C60。相反,如果只有一个单独的七边形存在,则石墨烯平面会变成马鞍形。因此,添加不同数目的五边形和七边形会形成各种不同的复杂形状。如图所示,石墨烯进一步团聚成零维的富勒烯,卷曲成碳纳米管,堆叠成三维的石墨,因此是构建其他维度碳材料的基本单元。

 
1、石墨与石墨烯

最常见的石墨堆叠方式可分为三类: AA型堆叠、AB型堆叠和ABC型堆叠。其中,AB型堆叠方式所需能量最低,在自然界中形成的石墨也最为常见。石墨烯可以被认为是石墨的极限形式。但不能将石墨烯简单的理解为“被削薄的石墨”。从石墨到石墨烯,性质发生了显著变化,是一个“量变引起质变”的过程。

石墨是碳元素的结晶矿物之一,具有润滑性、化学稳定性、耐高温、导电、特殊的导热性和可塑性、涂敷性等优良性能,其应用领域十分广泛。石墨在冶金工业中主要用作耐火材料;在铸造业中用作铸模和防锈涂料;在电气工业中用于生产碳素电极、电极碳棒、电池,制成的石墨乳可用作电视机显像管涂料,制成的碳素制品可用于发电机、电动机、通讯器材等诸多方面;在机械工业中用作飞机、轮船、火车等高速运转机械的润滑剂;在化学工业中用于制造各种抗腐蚀器皿和设备;在核工业中用作原子反应堆中的中子减速剂和防护材料等;在航天工业中可做火箭发动机尾喷管喉衬,火箭、导弹的隔热、耐热材料以及人造卫星上的无线电连接信号和导电结构材料。此外,石墨还是轻工业中玻璃和造纸的磨光剂和防锈剂,制造铅笔、墨汁、黑漆、油墨和人造金刚石的原料。

石墨烯主要应用于代替硅生产电子产品、石墨烯锂离子电池、替代ITO(显示器和触摸屏等器件中的导体材料:氧化铟锡 ITO材料)、超级电容以及石墨烯材料添加剂等领域。

2、石墨烯与碳纳米管

在结构上,石墨烯与碳纳米管具有密切的关联。单壁碳纳米管可以被看作是一个石墨烯圆筒,两端由半球状石墨烯端帽封口。

目前,关于碳纳米管的研究,无论在制备技术、性能表征及应用探索等方面都已经达到了一定的深度和广度。组成及结构上的紧密联系,使二者在研究方法上具有许多相通之处。事实上,很多针对石墨烯的研究最开始都是受到碳纳米管相关研究的启发而开展起来的。石墨烯的发展历程与碳纳米管极为类似。在碳纳米管被发现之前,碳的晶体结构主要有三种:石墨、金刚石和富勒烯(以C60为代表)。当时,对于碳纤维(已工业化应用)和碳纳米纤维都已经有了很充分的研究;在碳纳米管被发现之后,人们开始关注碳纳米管与碳纳米纤维之间的异同。从表面上看,在晶体结构上,碳纳米纤维的晶化程度相对较差,缺陷较多,石墨层片排列不连续,直径较大,并不真正属于碳的晶体结构,或者仅算是石墨的一种衍生物。如果单从这一点来看,碳纳米管的出现似乎仅是碳纳米纤维的一个延伸。同单壁、双壁、薄壁碳纳米管之间的关系类似,除了严格意义上的石墨烯(单层)外,双层和少数层石墨层片在结构和性能上也都明显区别于块体石墨,在广义上也被归为石墨烯的范畴。

作为一维(1D)和二维(2D)纳米材料的代表者,二者在结构和性能上有互补性。从结构上来看,碳纳米管是碳的一维晶体结构;而石墨烯仅由单层碳原子层构成,是真正意义上的二维晶体结构。从性能上看,石墨烯具有可与碳纳米管媲美或更优异的特性。

石墨烯的优势在于本身即为二维晶体结构,具有几项破纪录的性能(强度、导电、导热),可实现大面积连续生长,未来应用前景光明。另外,石墨烯是“量变引起质变”哲学思想的典型范例。

本文由材料人科普团队七宝小猴整理,若有不全面的地方,欢迎大家留言补充,我们将陆续发布各种石墨烯科普文章,下期将主要讲解石墨烯的结构表征技术。通过由浅而深交流,增进大家对石墨烯这一新兴材料的认识。我们的目标是“让学术轻松有趣”。

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