第一篇：超級石墨烯玻璃復合材料制備技術(shù)研究-北京科委

超級石墨烯玻璃復合材料制備技術(shù)研究

1、課題承擔單位： 北京大學

2、課題負責人介紹

劉忠范，北京大學化學與分子工程學院教授。教育部跨世紀優(yōu)秀人才（93）、杰青（94）、長江學者（99）、中國科學院院士（11），中組部萬人計劃杰出人才（13；六人之一）。北京大學納米科學與技術(shù)研究中心主任，北京市低維碳材料科學與工程技術(shù)研究中心主任。主要從事納米碳材料、二維原子晶體材料和納米化學研究。曾任國家攀登計劃（B）、973計劃和納米重大研究計劃項目首席科學家，現(xiàn)任國家自然科學基金“表界面納米工程學”創(chuàng)新研究群體學術(shù)帶頭人、中國納米技術(shù)產(chǎn)業(yè)協(xié)會副會長、中國化學會常務理事和納米化學專業(yè)委員會主任。APL Materials、科學通報和化學學報副主編，Adv.Mater.等十余個國內(nèi)外學術(shù)期刊編委或顧問編委。第十二屆全國人大代表，九三學社第十三屆中央委員和院士工作委員會副主任。1997年獲香港求是科技基金會杰出青年學者獎，2007年獲高等學?？茖W技術(shù)獎自然科學一等獎，2008年獲國家自然科學二等獎，2012年獲中國化學會-阿克蘇諾貝爾化學獎和寶鋼優(yōu)秀教師特等獎等。英國皇家化學會會士、英國物理學會會士。

3、項目簡介

玻璃具有非常悠久的歷史，是一種應用廣泛的傳統(tǒng)材料。當前，形形色色的玻璃遍及我們生活的方方面面，由于其成本低廉，品質(zhì)優(yōu)良，在家居、建筑、裝飾等領域不可或缺。

石墨烯是近十年來最熱門的材料，具有最好的導電性最強的機械強度，最薄的厚度，以及高的透光性，這些特性決定了石墨烯時一直具有光明前景的新型納米材料。

超級石墨烯玻璃就是將傳統(tǒng)的玻璃與新興的石墨烯薄膜結(jié)合在一起，發(fā)展出一種新型的特種玻璃。這種新型的石墨烯玻璃將繼承玻璃的優(yōu)良品質(zhì)，比如化學性質(zhì)穩(wěn)定、透光性好，同時賦予玻璃石墨烯的優(yōu)良品質(zhì)，比如良好的導電導熱性、高的機械強度以及優(yōu)異的疏水效果。

傳統(tǒng)方法制備石墨烯玻璃采用的是轉(zhuǎn)移方法，即在金屬基底上生長出石墨烯，然后轉(zhuǎn)移到玻璃上，采用這種方法制備的石墨烯玻璃性質(zhì)不穩(wěn)定，而且對石墨烯的各種性能產(chǎn)生了極大的破壞。因此，我們提出了超級石墨烯玻璃計劃，即在玻璃表面通過化學氣相沉積的方法直接生長高品質(zhì)的層數(shù)可控的石墨烯，一方面增強了玻璃與石墨烯的結(jié)合強度，避免了轉(zhuǎn)移帶來的損壞，另一方面這種技術(shù)可以集成到玻璃生產(chǎn)工藝中，方便快捷，成本低廉，符合大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)的要求。

4、技術(shù)優(yōu)勢

劉忠范院士帶領的納米化學研究中心在碳材料研究領域具有非常豐富的經(jīng)驗，尤其在碳納米管以及石墨烯研究方面，一直處于國際領先地位，劉忠范院士本人也是國內(nèi)乃至國際石墨烯研究領域的領軍人物。

我們的研究團隊規(guī)模龐大且經(jīng)驗豐富，早期利用化學氣相沉積方法在金屬基底生長高品質(zhì)石墨烯積累了豐富的經(jīng)驗，這些寶貴的技術(shù)經(jīng)驗對我們發(fā)展石墨烯在玻璃基底上的高品質(zhì)生長提供了重要指導。

在儀器設備方面，北京大學納米化學研究中心擁有國內(nèi)最先進龐大的化學氣相沉積設備群，中心現(xiàn)有各類化學氣相沉積系統(tǒng)四十余套，以及其它先進的材料測試表征設備，如STM、SEM、TEM、拉曼光譜等，這些都保證了超級石墨烯玻璃的研究能夠順利推動。

我們現(xiàn)在已經(jīng)成功在各類玻璃表面生長出高品質(zhì)的石墨烯，相關(guān)研究成果相繼發(fā)表在化學、材料、納米等領域的頂級期刊JACS、Advanced Materials、Nano Letters、Nano Research等雜志，在國際上引起廣泛的關(guān)注，目前正與國際上另一知名化學氣相沉積石墨烯研究團隊Ruoff教授展開相關(guān)合作，共同推動超級石墨烯玻璃在機械性能上的研究。

5、應用范圍

超級石墨烯玻璃作為一種特殊的玻璃，賦予了玻璃導電、導熱、疏水等性質(zhì)，在生物、汽車、建筑、電子、能源等領域都具有非常廣泛的應用前景。

生物方面，由于石墨烯具有很好的生物相容性，可用于細胞培養(yǎng)、生物電極等；由于超級石墨烯玻璃良好的透光導電導熱性能，可以在制作成透明導電玻璃，用于汽車和建筑的除霧以及電致變色裝置；超級石墨烯玻璃在觸摸屏和平板顯示方面的應用也非常值得期待；另外，超級石墨烯玻璃可用于光催化。在這些方面，我們已經(jīng)做出了一些初步的探索，如圖二所示。

隨著我們研究的進一步發(fā)展，更大尺寸的石墨烯玻璃即將面世，將賦予超級石墨烯玻璃更廣闊的空間，可以說超級石墨烯玻璃是玻璃產(chǎn)業(yè)的革命，也是石墨烯材料的未來。

第二篇：氧化石墨烯的制備方法總結(jié)

氧化石墨烯的制備方法： 方法一：

由天然鱗片石墨反應生成氧化石墨，大致分為 3 個階段，低溫反應：在冰水浴中放入大燒杯，加入 110mL 濃 H2SO4，在磁力攪拌器上攪拌，放入溫度計讓其溫度降至 4℃左右。加入-100目鱗片狀石墨 5g，再加入 2.5g NaNO3，然后緩慢加入 15g KMnO4，加完后記時，在磁力攪拌器上攪拌反應 90min，溶液呈紫綠色。中溫反應：將冰水浴換成溫水浴，在磁力攪拌器攪拌下將燒杯里的溫度控制在32~40℃，讓其反應 30 min，溶液呈紫綠色。高溫反應：中溫反應結(jié)束之后，緩慢加入 220mL 去離子水，加熱保持溫度 70~100℃左右，緩慢加入一定雙氧水(5 %)進行高溫反應，此時反應液變成金黃色。反應后的溶液在離心機中多次離心洗滌，直至 BaCl2檢測無白色沉淀生成，說明沒有 SO42-的存在，樣品在 40~50℃溫度下烘干。H2SO4、NaNO3、KMnO4一起加入到低溫反應的優(yōu)點是反應溫度容易控制且與 KMnO4反應時間足夠長。如果在中溫過程中加入 KMnO4，一開始溫度會急劇上升，很難控制反應的溫度在 32~40℃。技術(shù)路線圖見圖 1。

方法二：Hummers 方法

采用Hummers 方法[5]制備氧化石墨。具體的工藝流程在冰水浴中裝配好250 mL 的反應瓶加入適量的濃硫酸攪拌下加入2 g 石墨粉和1 g 硝酸鈉的固體混合物再分次加入6 g 高錳酸鉀控制反應溫度不超過20℃攪拌反應一段時間然后升溫到35℃左右繼續(xù)攪拌30 min再緩慢加入一定量的去離子水續(xù)拌20 min 后并加入適量雙氧水還原殘留的氧化劑使溶液變?yōu)榱咙S色。趁熱過濾并用5%HCl 溶液和去離子水洗滌直到濾液中無硫酸根被檢測到為止。最后將濾餅置于60℃的真空干燥箱中充分干燥保存?zhèn)溆?。方法三：修正的Hummers方法

采用修正的Hummers方法合成氧化石墨，如圖1中(1)過程。即在冰水浴中裝配好250 mL的反應瓶，加入適量的濃硫酸，磁力攪拌下加入2 g 石墨粉和1 g硝酸鈉的固體混合物，再緩慢加入6 g高錳酸鉀，控制反應溫度不超過10 ℃，在冰浴條件下攪拌2 h后取出，在室溫下攪拌反應5 d。然后將樣品用5 %的H2SO4（質(zhì)量分數(shù)）溶液進行稀釋，攪拌2 h后，加入6 mL H2O2，溶液變成亮黃色，攪拌反應2 h離心。然后用濃度適當?shù)腍2SO4、H2O2混合溶液以及HCl反復洗滌、最后用蒸餾水洗滌幾次，使其pH~7，得到的黃褐色沉淀即為氧化石墨(GO)。最后將樣品在40 ℃的真空干燥箱中充分干燥。將獲得的氧化石墨入去離子水中，60 W功率超聲約3 h，沉淀過夜，取上層液離心清洗后放入烘箱內(nèi)40 ℃干燥，即得片層較薄的氧化石墨烯，如圖1中(2)過程。

方法四：超聲輔助Hummers法制備氧化石墨烯

該方法主要包含了低溫、中溫、高溫3個反應階段。研究表明[8]：低溫反應主要發(fā)生硫酸分子在石墨層間插層；中溫反應主要發(fā)生石墨的深度氧化；高溫反應過程則主要發(fā)生層間化合物的水解反應。低溫反應插層充分，中溫反應深度氧化完全，高溫反應水解徹底，是獲得層間距較大氧化石墨的有效途徑之一，這種層間距較大的氧化石墨不僅有利于其他分子、原子等插入層間形成氧化石墨插層復合材料，而且易于被剝離成單層氧化石墨，為進一步制備單層石墨烯打下基礎。1.2.1Hummers法制備氧化石墨烯

低溫反應：量取23mL濃硫酸倒入燒杯，燒杯放入冰浴中冷卻至4℃以下，稱取1g石墨粉和0.5g硝酸鈉放入燒杯，1h以后緩慢加入3g高錳酸鉀，控制溫度不超過10℃，反應時間共約2h；中溫反應：把燒杯移至恒溫水浴鍋，水浴溫度控制在38℃反應0.5h，保持攪拌；高溫反應：在所得混合液中緩慢加入80mL的去離子水，保持混合液溫度~95℃反應30min，期間保持適度攪拌；高溫反應后加入約60mL去離子水中止反應，加入15mL(30Vol%)的雙氧水，待反應約15min后再加入40mL(10Vol%)的鹽酸溶液。低速離心洗滌去除過量的酸及副產(chǎn)物，將洗滌后呈中性的氧化石墨分散于水中，超聲震蕩剝離40min，超聲結(jié)束后在2500r·min-1轉(zhuǎn)速下離心30min，上層液即是氧化石墨烯懸濁液。1.2.2預氧化-Hummers法制備氧化石墨烯

將30mL濃H2SO4，10gK2S2O8，10gP2O5置于三口燒瓶中，加熱至80℃后加入20g石墨粉后保溫6h，自然冷卻至室溫后，稀釋，抽濾，洗滌直至中性，室溫下自然干燥。取1g預處理過的樣品進行Hummers法制備氧化石墨烯(見1.2.1)。1.2.3低中溫超聲輔助Hummers法合成氧化石墨烯

低溫反應：量取23mL濃硫酸倒入燒杯，燒杯放入冰浴中冷卻至4℃以下，稱取1g石墨粉和0.5g硝酸鈉放入燒杯，開啟超聲，1h以后緩慢加入3g高錳酸鉀，關(guān)閉超聲并開始攪拌，控制溫度不超過10℃，反應時間共2h；中溫反應：把燒杯移至水浴鍋，開啟超聲，水浴溫度控制在38℃反應0.5h；高溫反應：把所得混合液緩慢加入約100mL的低溫去離子水中，接著將以上混合液置于~95℃水浴中反應30min，期間保持適度機械攪拌；高溫反應后加入60mL去離子水中止反應，隨后加入25mL(30Vol%)的雙氧水，待反應約15min后再加入40mL(10Vol%)的鹽酸溶液溶解。低速離心洗滌去除過量的酸及副產(chǎn)物，將洗滌后呈中性的氧化石墨分散于水中，超聲振蕩剝離40min，超聲結(jié)束后在2500r·min-1轉(zhuǎn)速下離心30min，上層液即是氧化石墨烯分散液。

1.2.4低溫超聲輔助Hummers法合成氧化石墨烯

除把中溫反應的超聲振蕩改為攪拌以外，其他均與1.2.3合成工藝相同。1.2.5中溫超聲輔助Hummers法合成氧化石墨烯

除在低溫反應階段只使用攪拌(不使用超聲振蕩)以外，其他均與1.2.3合成工藝相同。方法五：溫老師的方法

The 500-mesh flake graphite(1 g)and NaNO3(0.75 g)were dissolved in 75 mL 98 wt % H2SO4 under magnetic stirring in ice-water bath and KMnO4(4.5 g)were added gently.After completion of the addition, the reaction mixture was stirred continuously for 2 h.Then, the reaction was allowed to react for 5 days at room temperature.Afterward, KMnO4(2.25 g)was added gradually to the reaction mixture within 2 h under an ice water bath and then keep the reaction for another 5 days.After raising the temperature to 90 C, 140mL 5 wt % H2SO4 was added gradually to the reaction mix-ture under magnetic stirring for 2 h.The temperature was then decreased to 60 C, and 3 mL 30 wt % H2O2 was added to the reaction product.The as-prepared GO was purified by repeated centrifugation and washing process according to the literature.1

第三篇：三星石墨烯制備技術(shù)獲突破 或掌握材料科技未來

三星石墨烯制備技術(shù)獲突破 或掌握材料科技未來 網(wǎng)易科技訊 4月4日消息，三星在未來世界的“神奇材料”石墨烯的制備技術(shù)上獲得突破。這有可能使三星掌握材料科技的未來，三星也有可能將其運用在下一代可穿戴技術(shù)上。

三星公司已經(jīng)開發(fā)出大規(guī)模制備石墨烯的技術(shù)，可以將這種單層原子厚度的材料從實驗室?guī)氍F(xiàn)實世界。成均館大學和三星高級研究所在科學雜志ScienceXpress上發(fā)表文章表示，他們已經(jīng)可以大規(guī)模的合成石墨烯晶體，該研究可能導致石墨烯在商業(yè)或工業(yè)領域的規(guī)模化生產(chǎn)。

石墨烯是只有一個原子厚度的材料，這種材料在各種方面都有著巨大的潛力，是一種革命性的未來材料。石墨烯在2004年首先由英國曼徹斯特大學的Andre Geim和Kostya Novoselov發(fā)現(xiàn)，并因此獲得2010年諾貝爾物理學獎。但目前研究還處于比較早期的階段，石墨材料的大小受到很大限制，制備起來也十分困難，導致一克石墨烯價值數(shù)百美元

石墨烯是迄今為止世界上強度最大的材料，據(jù)測算如果用石墨烯制成厚度相當于普通食品塑料包裝袋厚度的薄膜（厚度約100 納米），那么它將能承受大約兩噸重物品的壓力，而不至于斷裂，同時仍保持彈性。使其可以用于柔性顯示器、可穿戴設備等下一代電子材料。另外因為其強度工業(yè)界一直認為其也是制備避孕套的良好材料。

另外，石墨烯是世界上導電性最好的材料。使石墨烯有可能會成為硅的替代品。制造超微型晶體管，用來生產(chǎn)未來的超級計算機，碳元素更高的電子遷移率可以使未來的計算機獲得更高的速度。另外石墨烯材料還是一種優(yōu)良的改性劑，在新能源領域如超級電容器、鋰離子電池方面有巨大作用。

最近的英國政府預算中石墨烯研究作為重中之重，而像三星、諾基亞和IBM等公司都在競相進行開發(fā)。（秉翰）