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2011年  第26卷  第01期

成会明, 杨全红, 智林杰
2011, 26(01).
摘要(1853) PDF(1358)
摘要:
   对碳元素及碳质材料而言,过去二十五年令人振奋、令人激动!
  长久以来,人们认为碳的单质主要以金刚石、石墨、无定形炭和卡宾四种形式存在。而从1985年富勒烯的发现开始到现在,富勒烯、碳纳米管和石墨烯等新型碳纳米结构向我们展示了一个更加神奇的碳世界。这些碳纳米结构包括了迄今已知的最小零维物质、最细一维物质和最薄二维物质;表现出很多奇特的物理化学性质;更重要的是,它们的发现丰富了人类对物质世界的认知,也直接推动了纳米科技的发展。2004年发现的石墨烯在短短六年里已经表现出非常突出的电学、光学、热学、力学、化学和电化学特性,在微纳电子、储能、薄膜器件、导热材料、复合材料等很多方面呈现出很好的应用前景;在发现仅6年之后的2010年,诺贝尔物理奖即授予发现石墨烯的两位科学家,也体现了科学界对这种新材料超乎寻常的迅速认可;仅从发表的论文和受理的专利数量来看,石墨烯已大大超过了相同发展阶段的富勒烯和碳纳米管。同时,富勒烯-碳纳米管-石墨烯的接力式发展,也不断推动着新型碳纳米结构及材料的研究、研发和应用。
  为此,《新型炭材料》特组织了本期专刊,以“石墨烯及新型碳纳米结构”为主题,收入焦点评述2篇、综合述评1篇、研究论文11篇,评述及报道石墨烯及碳纳米结构领域的最新研究进展。2篇焦点评述分别就石墨烯的发现和发展现状及其在锂离子电池的应用前景进行了评述和展望;而综合述评对石墨烯的主要制备方法——气相沉积方法进行了全面的介绍。8篇研究论文报道石墨烯的最新研究进展,涉及石墨烯的几个前沿领域:石墨烯的制备及表征、可控组装、分散、化学传感、吸附以及氧化石墨烯薄膜的还原;另有3篇论文涉及其它新型碳纳米结构的最新研究进展:带有尖端结构的碳纳米管的场发射特性、改性碳纳米管的重离子吸附及炭包覆二氧化钛的光催化降解脱除苯的研究。
  很多科学评论预测,富勒烯-碳纳米管-石墨烯后科学家们还可能发现其他碳的同素异形体和碳纳米结构,如中国科学院化学研究所李玉良研究员领导的小组已经成功合成出石墨炔;而这些新型的碳纳米材料走向大规模应用还需要科学家和工程师进行艰苦的努力。我们期待着,努力着,为碳的博大与精深,为碳更加美好的明天……
“梦想照进现实”——从富勒烯、碳纳米管到石墨烯
杨全红
2011, 26(01): 1-4.
摘要(4656) PDF(3320)
摘要:
从富勒烯、碳纳米管到石墨烯,过去25年见证了碳的三种同素异形体的发现和快速发展。石墨烯作为理想的二维碳纳米结构,表现出很多奇特的物理化学性质。物理学家和化学家对待石墨烯不同的研究视角以及石墨烯对于物理学家和化学家的不同意义在于:前者的任务是发现极限结构的奇特性质,而后者主要着眼于基于石墨烯的碳纳米结构可控构建和有效调控。化学家另外一项重要任务是解决石墨烯的制备科学问题,而温和条件下“热化学解理”是实现石墨烯规模制备、进而推动石墨烯研究快速发展的重要解决方案之一。
用于锂离子电池的石墨烯材料——储能特性及前景展望
智林杰, 方 岩, 康飞宇
2011, 26(01): 5-8.
摘要(2940) PDF(3623)
摘要:
石墨烯具有独特的二维结构、优异的性能和各种潜在的应用价值,是当前材料科学领域研究的热点。通过简要评述石墨烯作为锂离子电池负极材料的结构与性能的关系,讨论了作为电极材料的石墨烯结构与功能调控的重要性,指出石墨烯基纳米材料是一种很有吸引力的锂离子电池电极材料,尤其针对高能量密度与高功率密度电池。
化学还原氧化石墨烯制备高性能石墨烯自组装水凝胶
盛凯旋, 徐宇曦, 李 春, 石高全
2011, 26(01): 9-15. doi: 1007-8827(2011)01-0009-07
摘要(4005) PDF(2597)
摘要:
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(1S · m-1),机械强度和电化学性能。在1mol ·  L-1 的硫酸电解质溶液中,通过1.2A · g-1 恒电流充放电测试,石墨烯水凝胶电极的比电容高达240F · g-1
柠檬酸钠绿色还原制备石墨烯
万武波, 赵宗彬, 胡 涵, 周 泉, 范彦如, 邱介山
2011, 26(01): 16-20.
摘要(3118) PDF(4770)
摘要:
采用环境友好型还原剂柠檬酸钠,成功实现了温和条件下氧化石墨(GO)的控制还原,制备得到了石墨烯材料。利用扫描电子显微镜(SEM)、X-射线衍射(XRD)、紫外可见吸收光谱(UV-vis)、傅立叶红外光谱(FT-IR)等对所得产物进行了分析表征,并研究比较了氧化石墨与氧化石墨烯还原产物(RGO)的电子输运性能。结果表明:柠檬酸钠可在温和条件下还原氧化石墨得到高质量的石墨烯。
爆炸法合成石墨烯
王 灿, 詹 亮, 乔文明, 凌立成
2011, 26(01): 21-25. doi: 10.1016/S1872-5805(11)60063-2
摘要(2879) PDF(1983)
摘要:
以石墨氧化物为前躯体,采用爆炸法合成石墨烯。利用XRD,SEM,XPS,TEM,SAED和Raman等测试手段对石墨烯的形貌,成份和结构进行表征。结果表明,石墨氧化物在爆炸产生的热量和冲击波的作用下发生完全剥离并被还原成石墨烯。新合成的石墨烯呈透明褶皱状,含有2层~5层石墨层,并具有较好的晶体结构。
石墨烯片的制备与表征
冯 颖, 黄世华, 康 凯, 段晓霞
2011, 26(01): 26-30.
摘要(3026) PDF(5034)
摘要:
通过微机械剥离高定向热解石墨 (HOPG)法和化学气相沉积法(CVD)分别制备了不同层数的石墨烯片,并将其转移到硅片上。利用石墨烯片在不同厚度SiO2硅片上光学显微图像颜色及对比度存在的差异,对其层数进行了识别与区分。采用原子力显微镜(AFM)和拉曼(Raman)光谱判定了所制石墨烯片的层数。 结果表明:所制石墨烯片有单层、少数层和多层。与双层石墨烯片的Raman谱图比较,多层石墨烯片的2D模线宽变宽,G模强度增大。 此外,CVD法可生长出大面积(~cm2)的石墨烯片。
高产量制备石墨烯及其优异的重金属离子检测性能
王 斌, 常雁红, 智林杰
2011, 26(01): 31-35. doi: 10.1016/S1872-5805(11)60064-4
摘要(2502) PDF(1887)
摘要:
以氧化石墨的高温膨胀为基础,研发了一种简便经济的高产量制备石墨烯的工艺,考察了制备得到的石墨烯对痕量重金属离子的检测性能,检测离子包括Cu2+、Pb2+ 和Cd2+。所制薄层石墨烯存在部分结构缺陷和残余羟基官能团,电化学检测结果表明,这种结构的石墨烯在检测液相中重金属离子的过程中表现出了很好的性质,尤其是对铅离子的检测限达到了10-11mol/L。将高产量制备石墨烯的方法与其在重金属检测中表现出的良好应用前景结合起来将会极大推进工业化生产石墨烯基纳米传感器的发展。
高浓度石墨烯水系分散液及其气液界面自组装膜
魏 伟, 吕 伟, 杨全红
2011, 26(01): 36-40.
摘要(3004) PDF(2925)
摘要:
通过测试石墨烯分散液的吸光度,比较了几种表面活性剂分散石墨烯的能力。结果表明:聚乙烯吡咯烷酮(PVP)这种“绿色”、低成本的表面活性剂,具有很好的分散能力。通过提高PVP溶液浓度,可以得到浓度高达~1.3mg/mL的石墨烯分散液,这种高浓度石墨烯分散液可以在气液界面自组装得到石墨烯膜,这种无支撑石墨烯膜具有平整的表面和规则的结构,在很多领域都有良好的潜在应用价值。
低温热处理对氧化石墨烯薄膜的影响
刘燕珍, 李永锋, 杨永岗, 温月芳, 王茂章
2011, 26(01): 41-45.
摘要(2658) PDF(2855)
摘要:
采用Hummers法合成氧化石墨并在水中超声分散获得氧化石墨烯水溶胶,通过真空辅助自组装法使氧化石墨烯片定向流动组装制得氧化石墨烯薄膜。进一步对氧化石墨烯薄膜进行真空低温热处理,并以傅立叶变换红外光谱仪、X射线衍射仪、拉曼光谱仪、扫描电子显微镜、透射电子显微镜等进行表征分析。结果表明:低温热处理使氧化石墨烯薄膜具有导电性,且其导电率可达到527S/m,并有利于进一步炭化。该法简单易行,避免了水合肼等有毒且污染环境的化学试剂的使用,有益于氧化石墨烯薄膜的批量制备。
空位和Si掺杂对In在石墨烯上吸附的影响
戴宪起, 孙永灿, 赵建华, 危书义
2011, 26(01): 46-51.
摘要(2458) PDF(1611)
摘要:
利用第一性原理方法计算了空位和Si(硅)替位掺杂对In(铟)原子在石墨烯上吸附的影响。结果表明:在低覆盖度下,空位比Si替位掺杂更能增强In在石墨烯上的吸附,主要原因在于空位引入更多的悬挂键,加强了In和石墨烯之间相互作用。而对于较高覆盖度,Si替位掺杂却比空位对In吸附在石墨烯上的影响更强。无论是较高覆盖度还是低覆盖度,空位和Si替位掺杂均增强了In在石墨烯上的吸附。
尖锐端头碳纳米管的制备与场发射特性
张艳丽, 张莉莉, 侯鹏翔, 蒋 华, 刘 畅, 成会明
2011, 26(01): 52-56. doi: 10.1016/S1872-5805(11)60065-6
摘要(2115) PDF(1227)
摘要:
采用氢电弧法制备了尖锐端头的碳纳米管,获得了具有三种特殊形貌的尖端,即锥形、颈缩形和铅笔状尖端。该特殊形貌的形成可归因于在原料中加入硅粉进而形成的结构缺陷。研究了所得碳纳米管的场发射特性,发现其阈值电场较低,仅为3.75V/mm;场发射电流密度可高达~1.6×105A/cm2;且场发射稳定性好。以上优异的场发射性能归结于该碳纳米管具有良好的结构完整性和独特的尖端结构特征。
碳纳米管的表征和重金属阴离子吸附性能
徐艺军, Rosa Arrigo, 刘 晰, 苏党生
2011, 26(01): 57-62. doi: 10.1016/S1872-5805(11)60066-8
摘要(2345) PDF(1615)
摘要:
通过化学修饰使碳纳米管表面富含各种氧功能团,利用XPS和TPD方法表征了碳纳米管表面氧功能团的化学物理特性。研究发现:对比于未修饰的碳纳米管,化学修饰后的碳纳米管对高毒性的铬酸根阴离子有很强的吸附能力;其优异的吸附能力归结于金属阴离子与纳米管表面氧功能团的相互作用。研究指出碳纳米管可以作为替代吸附材料用于处理废水中重金属阴离子。
炭包覆TiO2复合物对低浓度苯的光催化降解
张 江, 黄正宏, 许 勇, 康飞宇
2011, 26(01): 63-70. doi: 10.1016/S1872-5805(11)60067-X
摘要(1809) PDF(1417)
摘要:
通过将TiO2粉末和聚乙二醇混合,随后在氮气气氛下热处理合成了炭包覆TiO2。利用粉末X射线衍射、紫外-可见漫反射光谱、透射电子显微镜和氮吸附对炭包覆TiO2复合物样品进行了表征,并研究了其对浓度为~1.2 ×10-5苯的光催化活性。结果表明:炭包覆量受热处理温度和聚乙二醇用量的影响,随着温度的升高和聚乙二醇量的减少而减少; TiO2的结晶度随着温度的升高而提高,但是炭包覆对TiO2晶体的生长有抑制作用。炭包覆锐钛矿样品比纯TiO2表现出对苯更高的光催化活性,这是由于炭吸附作用导致锐钛矿颗粒周围的苯浓度增加以及包覆炭可导致电荷的有效分离;另一个原因是锐钛矿相结晶度的提高。因此,要获得对苯具有高光催化活性的炭包覆TiO2需要综合考虑碳含量和锐钛矿晶体结构。
石墨烯的化学气相沉积法制备
任文才, 高力波, 马来鹏, 成会明
2011, 26(01): 71-80.
摘要(2622) PDF(6106)
摘要:
化学气相沉积(CVD)法是近年来发展起来的制备石墨烯的新方法,具有产物质量高、生长面积大等优点,逐渐成为制备高质量石墨烯的主要方法。通过简要分析石墨烯的几种主要制备方法(胶带剥离法、化学剥离法、SiC外延生长法和CVD方法)的原理和特点,重点从结构控制、质量提高以及大面积生长等方面评述了CVD法制备石墨烯及其转移技术的研究进展,并展望了未来CVD法制备石墨烯的可能发展方向,如大面积单晶石墨烯、石墨烯带和石墨烯宏观体的制备与无损转移等。