石墨烯水凝胶的结构控制及其性能研究(2)
1.1 石墨烯
1.1.1 石墨烯的结构
石墨烯由吹冰边蜂窝状晶格组成，包括两层相互透入的三角晶格，每个晶格单元中含有两个碳原子。每个格点上的碳原子都有1个s轨道和3个p轨道，与邻近的原子以σ键连接在一起。每个碳原子还有一个2p轨道，其中有一个2p电子。这些2p轨道均垂直于sp2杂化轨道的平面，且轨道间相互平行，从而满足了形成π键的条件。石墨烯片层中包含有大量碳原子，而所有碳原子都垂直于sp2杂化轨道平面，可以形成贯穿全层的多原子的大π键。大π键中的电子并不定域于两个原子之间，而是非定域的，可以在同一层中运动，为石墨烯提供了一个理想的二文（2D）结构。其结构示意图如下图（图1-2）所示。
图1-2 石墨烯的结构示意图
1.1.2 石墨烯的性能
石墨烯具有完美的二文晶体结构，使其具有独特的电学、热学和力学性能。
石墨烯中的电子在轨道中移动时，不会因晶格缺陷或引入外来原子而发生散射。由于石墨烯片平面内π轨道的存在，电子可在晶体中自由移动，使得石墨烯具有十分优异的电子传输性能[3], 室温下可达到15 000cm2•V-1•s-1的电子迁移率[4]。
除了具有优异的导热性能，石墨烯的拉伸模量达到1000GPa，极限强度达到116GPa，均与单壁碳纳米管相当。此外，石墨烯的理论比表面积高达2 600m2/g，具有突出的导热性能(3 000W•m- 1•K- 1)，以及具有半整数的量子霍尔效应、永不消失的电导率等一系列优越性能[4]。
1.1.3 石墨烯的制备
石墨烯的制备主要有物理方法和化学方法。物理方法通常是以廉价的石墨或膨胀石墨为原料, 通过微机械剥离法、液相或气相直接剥离法来制备单层或多层石墨烯；化学方法主要包括化学气相沉积法、氧化还原法、SiC热解外延生长法等。此外，还有高温还原、光照还原、微波法、电弧法、电化学法等[5-8]。
1.1.3.1 微机械剥离法
微机械剥离法是最早用于制备石墨烯的物理方法。Geim等[1]在1mm厚的高定向热解石墨表面进行干法氧等离子刻蚀，然后将其粘到玻璃衬底上，接着在上面贴上1μm 厚湿的光刻胶，经烘焙、反复粘撕，撕下来粘在光刻胶上的石墨片放入丙酮溶液中洗去，最后将剩余在玻璃衬底上的石墨放入丙醇中进行超声处理，从而得到单层石墨烯。
该方法的优点是得到的产物保持着比较完美的晶体结构，缺陷的含量较低。缺点是产生石墨烯的效率较低，不适合大规模的工业生产，一般仅仅是应用在实验室的基础研究中。
1.1.3.2 液相或气相直接剥离法
通常直接把石墨或膨胀石墨(EG)（一般通过快速升温至1000℃以上把表面含氧基团除去来获取）加在某种有机溶剂或水中，借助超声波、加热或气流的作用制备一定浓度的单层或多层石墨烯溶液。
因以廉价的石墨或膨胀石墨为原料，制备过程不涉及化学变化，液相或气相直接剥离法制备石墨烯具有成本低、操作简单、产品质量高等优点，但也存在单层石墨烯产率不高、片层团聚严重、需进一步脱去稳定剂等缺陷。
1.1.3.3 化学气相沉积法
化学气相沉积法，又称CVD法（chemical vapor deposition），是指反应物质在气态条件下发生化学反应,生成固态物质沉积在加热的固态基体表面,进而制得固体材料的工艺技术。CVD法是工业上应用最广泛的一种大规模制备半导体薄膜材料的方法，也是目前制备石墨烯的一条有效途径。
目前有麻省理工学院的Kong等[9]、韩国成均馆大学的Hong等[10]和普渡大学的Chen等[11]3个独立的研究组在利用CVD法制备石墨烯。他们使用的是一种以镍为基片的管状简易沉积炉，通入含碳气体，例如碳氢化合物，它在高温下分解成碳原子沉积在镍的表面，形成石墨烯，通过轻微的化学刻蚀，使石墨烯薄膜和镍片分离得到石墨烯薄膜。
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