石墨烯吸附性能的研究进展.pdf

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1、石墨烯吸附性能的研究进展112柳清 毕世华 曹茂盛(1．北京理工大学宇航学院， 北京 100081； 2.北京理工大学材料学院， 北京100081)摘要：因为石墨烯具有完全二维性的结构以及良好的导电性能，所以对它吸附性能的研究在其发现之初就得到了广泛的关注。概述了石墨烯的基本结构特点和其特有的性质，综述了本征石墨烯、空位石墨烯和掺杂石墨烯在吸附性能上的差异以及研究进展。关键词：石墨烯;吸附;空位;掺杂0引言我国中科院金属所的成会明研究组制备出了一种可以自[3]石墨烯是一种单层碳原子紧密排列、形成蜂窝状晶体结构我支撑的海绵态石墨烯。其对NO2和NH3都有非常强的吸

2、附性，并且室温下不可解吸附。但是对其原位加热，不但可以解的二维石墨，它的理论厚度仅为0.35nm，是目前发现的最薄二吸附，还能缩减吸附时间。这种石墨烯的出现不仅大大简化了维材料，可被当成是零维富勒烯、一维碳纳米管和三维堆积石[1]石墨烯传感器的制备工艺，而且其三维结构具有更高的强度与墨的基础结构。石墨烯的诞生还要追溯到2004年，Geim教授[4]柔韧性，其制备的传感器可循环反复使用。与Novoselo等人通过微机械剥离，使用Scotch胶条创造性的制出了石墨烯，一经宣布便引起的科学界的极大反响。后人经大量研究表明，因为碳原子本身的化学惰性，本征石墨烯过许多实验

3、与理论研究发现了石墨烯具有很多惊人而独特的对分子或原子的吸附能力是有限的，并且基本都属于物理吸附性质：完美的量子隧道效应、很高的电子迁移率、永远不会消范畴。失的电导率等，这对于石墨烯的功能化研究有很重大的意义。2空位石墨烯的吸附性能利用石墨烯吸附性能制备的传感器工作原理是：当石墨虽然本征石墨烯具有很大的比表面积与很高的电子迁烯将分子或原子吸附在表面时，吸附对象与石墨烯的电荷将移率，并且其电阻率会因载流子很细微的变化就产生很大的波会互相转移，这就导致载流子电子或空穴密度产生改变，石墨动，但研究表明，本征石墨烯仅仅对极少的分子或原子具有比烯的电导率也就会随之变化。更

4、为重要的是，由于石墨烯具有较强的吸附性。很大的比表面积，所以在吸附分子或原子时会具有相当高的目前，由于实验条件与制备水平的限制，在制备石墨烯的灵敏度。实际过程中并不能得到非常纯净的本征石墨烯，也就是说现阶1本征石墨烯的吸附性能段制出的石墨烯或多或少的都存在着不同的缺陷。不过，经过最先研究石墨烯吸附性能的是Schedin等人，他们发现石实践表明，有时候存在缺陷反而是有益的。研究者们通过人为墨烯传感器能够对石墨烯表面上吸附的分子进行判别，石墨烯的限制缺陷的数量和种类，反而提高了石墨烯的物理性能。空对NO2、H2O、NH3和CO都具有较强的吸附性；采用真空加热位石墨烯

5、就是其中之一。或用紫外光照射的方式可以让传感器解吸附；他们又进行了空位缺陷可以根据缺陷的程度分为单空位缺陷、双空位缺多次吸附与解吸附的实验来确保传感器不会中毒。陷以及多空位缺陷。在石墨烯中最常见的是单空位缺陷，通过Wehling等通过制备石墨烯，采用实物试验的方式对本征热力学分析发现常温中这种结构是稳定存在的。大量研究者对石墨烯的吸附性能进行了研究，吸附的对象是NO2与N2O4，发空位石墨烯的吸附性能进行了研究和讨论。现石墨烯对NO2有很强的敏感性，而对于N2O4，石墨烯对其的马等运用第一性原理的计算方法研究了空位石墨烯对吸附性则相对很弱。得到同样结论的还有Le

6、enaerts等人，他们CO、N2、O2和NO的吸附性能，研究结果发现，CO中C原子上运用基于密度泛函的第一性原理的方法研究了本征石墨烯对的大部分电子转移到了石墨烯上，缺陷上的C原子有四个价电CO、NO2、H2O、NH3、NO的吸附性能。子，两个结合邻近的C原子形成牢固的共价键，其他两个未配Fowler等采用的则是氧化还原法制备石墨烯[2]，研究了本对电子很容易与外部的气体分子相结合，形成共用电子对，石征石墨烯对NO、NH和DNT的吸附性能，得到的结果是，NO墨烯表面的缺陷可以通过吸附的CO分子来修补，使其晶格结232为p型杂质，石墨烯中的电子流向了NO，从而导

7、致石墨烯的空构恢复完整；缺陷石墨烯吸附N2后的体系也很稳定，但是电荷2穴浓度变大，电阻显著下降；NH为n型杂质，吸附后其电子转移非常弱；O2不同于惰性气体N2，吸附过程伴随较多的电荷3流向石墨烯，并填充了石墨烯导带中的空穴，使石墨烯的电阻转移，属于化学吸附；由于NO具有磁性，因此在进行计算的时变大；DNT的结论与NO相似。候需要考虑到电子的自旋极化，NO在石墨烯表面具有两种稳2定的状态。无论N向下或者O向下，NO都会以化学吸附的方Huang等运用基于密度泛函的第一性原理的方法模拟式稳定地吸附在缺陷中心。仿真了本征石墨烯对CO、O2、N2、NO、NO2、CO2和N

8、H3的吸附效果，研究表明