石墨烯（Graphene）是一種由碳原子以sp2雜化軌道組成六角型呈蜂巢晶格的二維碳納米材料。欣諭冷凍干燥www.ppl-ppl.com.cn
石墨烯具有優(yōu)異的光學(xué)、電學(xué)、力學(xué)特性，在材料學(xué)、微納加工、能源、生物醫(yī)學(xué)和藥物傳遞等方面具有重要的應(yīng)用前景，被認(rèn)為是一種未來革命性的材料。 英G曼徹斯特大學(xué)物理學(xué)家安德烈·蓋姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫，用微機械剝離法成功從石墨中分離出石墨烯，因此共同獲得2010年諾貝爾物理學(xué)獎。
石墨烯常見的粉體生產(chǎn)的方法為機械剝離法、氧化還原法、SiC外延生長法，薄膜生產(chǎn)方法化學(xué)氣相沉積法（CVD）、XY冷凍干燥法（欣諭FD工藝）。
氧化石墨烯(graphene oxide )是石墨烯的氧化物，其顏色為棕黃色，市面上常見的產(chǎn)品有粉末狀、片狀以及溶液狀的。因經(jīng)氧化后，其上含氧官能團增多而是性質(zhì)較石墨烯更加活潑，可經(jīng)由各種與含氧官能團的反應(yīng)而改善本身性質(zhì)。
內(nèi)部結(jié)構(gòu)
石墨烯內(nèi)部碳原子的排列方式與石墨單原子層一樣以sp2雜化軌道
石墨烯結(jié)構(gòu)圖
成鍵，并有如下的特點：碳原子有4個價電子，其中3個電子生成sp2鍵，即每個碳原子都貢獻一個位于pz軌道上的未成鍵電子，近鄰原子的pz軌道與平面成垂直方向可形成π鍵，新形成的π鍵呈半填滿狀態(tài)。研究證實，石墨烯中碳原子的配位數(shù)為3，每兩個相鄰碳原子間的鍵長為1.42×10-10米，鍵與鍵之間的夾角為120°。除了σ鍵與其他碳原子鏈接成六角環(huán)的蜂窩式層狀結(jié)構(gòu)外，每個碳原子的垂直于層平面的pz軌道可以形成貫穿全層的多原子的大π鍵（與苯環(huán)類似），因而具有優(yōu)良的導(dǎo)電和光學(xué)性能。凍干機工藝-目前石墨烯干燥方法
單層石墨烯結(jié)構(gòu)圖
力學(xué)特性
石墨烯是已知強度Z高的材料之一，同時還具有很好的韌性，且可以彎曲，石墨烯的理論楊氏模量達1.0TPa，固有的拉伸強度為130GPa。而利用氫等離子改性的還原石墨烯也具有非常好的強度，平均模量可大0.25TPa。 由石墨烯薄片組成的石墨紙擁有很多的孔，因而石墨紙顯得很脆，然而，經(jīng)氧化得到功能化石墨烯，再由功能化石墨烯做成石墨紙則會異常堅固強韌。
電子效應(yīng)
石墨烯在室溫下的載流子遷移率約為15000cm2/（V·s），這一數(shù)值超過
石墨烯構(gòu)成富勒烯、碳納米管和石墨示意圖
了硅材料的10倍，是目前已知載流子遷移率Z高的物質(zhì)銻化銦（InSb）的兩倍以上。在某些特定條件下如低溫下，石墨烯的載流子遷移率甚至可高達250000cm2/（V·s）。與很多材料不一樣，石墨烯的電子遷移率受溫度變化的影響較小，50~500K之間的任何溫度下，單層石墨烯的電子遷移率都在15000cm2/（V·s）左右。目前石墨烯干燥方法-欣諭FD凍干工藝
另外，石墨烯中電子載體和空穴載流子的半整數(shù)量子霍爾效應(yīng)可以通過電場作用改變化學(xué)勢而被觀察到，而科學(xué)家在室溫條件下就觀察到了石墨烯的這種量子霍爾效應(yīng)。 石墨烯中的載流子遵循一種特殊的量子隧道效應(yīng)，在碰到雜質(zhì)時不會產(chǎn)生背散射，這是石墨烯局域超強導(dǎo)電性以及很高的載流子遷移率的原因。石墨烯中的電子和光子均沒有靜止質(zhì)量，他們的速度是和動能沒有關(guān)系的常數(shù)。
石墨烯是一種零距離半導(dǎo)體，因為它的傳導(dǎo)和價帶在狄拉克點相遇。在狄拉克點的六個位置動量空間的邊緣布里淵區(qū)分為兩組等效的三份。相比之下，傳統(tǒng)半導(dǎo)體的主要點通常為Γ，動量為零。欣諭官網(wǎng)www.xinyu17.com
熱性能
石墨烯具有非常好的熱傳導(dǎo)性能。純的無缺陷的單層石墨烯的導(dǎo)熱系數(shù)高達5300W/mK，是目前為止導(dǎo)熱系數(shù)Z高的碳材料，高于單壁碳納米管（3500W/mK）和多壁碳納米管（3000W/mK）。當(dāng)它作為載體時，導(dǎo)熱系數(shù)也可達600W/mK。 此外，石墨烯的彈道熱導(dǎo)率可以使單位圓周和長度的碳納米管的彈道熱導(dǎo)率的下限下移。 導(dǎo)熱系數(shù)實驗值
電阻系數(shù)和溫度系數(shù)
制備方法
機械剝離法
機械剝離法是利用物體與石墨烯之間的摩擦和相對運動，得到石墨烯薄層材料的方法。這種方法操作簡單，得到的石墨烯通常保持著完整的晶體結(jié)構(gòu)。2004年，英G兩位科學(xué)使用透明膠帶對天然石墨進行層層剝離取得石墨烯的方法，也歸為機械剝離法，這種方法一度被認(rèn)為生產(chǎn)效率低，無法工業(yè)化量產(chǎn)。 雖然這種方法可以制備微米大小的石墨烯，但是其可控性較低，難以實現(xiàn)大規(guī)模合成。 凍干機工藝-目前石墨烯干燥方法
氧化還原法www.ppl-ppl.com.cn
氧化還原法是通過使用硫酸、硝酸等化學(xué)試劑及高錳酸鉀、雙氧水等氧化劑將天然石墨氧化，增大石墨層之間的間距，在石墨層與層之間插入氧化物，制得氧化石墨（Graphite Oxide）。但由于在對氧化石墨烯進行還原時，較難控制還原后石墨烯的氧含量，同時氧化石墨烯在陽光照射、運輸時車廂內(nèi)高溫等外界每件影響下會不斷的還原，因此氧化還原法生產(chǎn)的石墨烯逐批產(chǎn)品的品質(zhì)往往不一致，難以控制品質(zhì)。目前石墨烯干燥方法-欣諭FD凍干工藝
化學(xué)氣相沉積法
化學(xué)氣相沉積法即（CVD）是使用含碳有機氣體為原料進行氣相沉積制得石墨烯薄膜的方法。這是目前生產(chǎn)石墨烯薄膜Z有效的方法。這種方法制備的石墨烯具有面積大和質(zhì)量高的特點，但現(xiàn)階段成本較高，工藝條件還需進一步完善。由于石墨烯薄膜的厚度很薄，因此大面積的石墨烯薄膜無法單D使用，必須附著在宏觀器件中才有使用價值，例如觸摸屏、加熱器件等。
低壓氣相沉積法是部分學(xué)者使用的，其將單層石墨烯在Ir表面上生成，通過進一步研究可知，這種石墨烯結(jié)構(gòu)可以跨越金屬臺階，連續(xù)性的和微米尺度的單層碳結(jié)構(gòu)逐漸在Ir表面上形成。 毫米量級的單晶石墨烯是利用表面偏析的方法得到的。厘米量級的石墨烯和在多晶Ni薄膜上外延生長石墨烯是由部分學(xué)者發(fā)現(xiàn)的，在1000℃下加熱300納米厚的Ni 膜表面，同時在CH4氣氛中進行暴露，經(jīng)過一段時間的反應(yīng)后，大面積的少數(shù)層石墨烯薄膜會在金屬表面形成。
XY冷凍干燥法（欣諭FD工藝）
XY冷凍干燥法（欣諭FD工藝），RO分級處理系統(tǒng) 欣諭FD真空冷凍干燥技術(shù)是將濕物料或溶液在較低的溫度下凍結(jié)成固態(tài)，然后在真空下使其中的水分不經(jīng)液態(tài)直接升華成氣態(tài)，Z終使物料脫水的干燥技術(shù)。
由于氧化石墨的熱穩(wěn)定性差，往往在烘干過程中就會出現(xiàn)熱解變黑的現(xiàn)象，并且受熱烘干后的氧化石墨易團聚成硬塊，不利于后續(xù)在溶劑中的分散。因此，實驗過程中為了獲得易分散的氧化石墨粉體材料，往往采用欣諭FD冷凍干燥來處理、離心洗滌后的GO漿料，有時候也用該技術(shù)處理化學(xué)還原后的三維石墨烯水凝膠。
欣諭FD之前，往往需要先將漿料樣品進行低溫冷凍，然后再進行真空干燥。這里要提的冰模板就是指冷凍處理中，樣品結(jié)冰形態(tài)對Z終樣品形貌的影響。大家在實驗中可能注意到，同樣的樣品在不同批次的冷凍干燥處理時，SEM下觀察到的樣品形貌差別很大。這就可能是由冰模板所導(dǎo)致的，兩次樣品的冰晶形態(tài)不同。通常而言，降溫速度越快，冰晶核形成越多，快速生長Z后凝結(jié)成塊，如此處理獲得的樣品孔隙相對較小比較均勻；而如果是緩慢降溫，靠近低溫側(cè)的冰晶核形成后逐漸向其他區(qū)域衍生，往往冰晶會比較大，Z后所獲得的石墨烯往往會有明顯的大孔結(jié)構(gòu)。目前石墨烯干燥方法-欣諭FD凍干工藝 www.ppl-ppl.com.cn
實驗過程中，尤其是在制備氣凝膠方面，把握好冰模板的過程，對于實驗的成功能起到很大的幫助。氧化石墨烯片并不是我們想象的那樣剛性，它很容易受外力變形。這里的外力是什么？除了自組裝過程中的收縮還有就是冰凍干燥了。
之前，在做石墨烯氣凝膠的時候就嘗試過不同冷凍干燥條件下，形貌會有差別，比如在液氮下干燥后孔隙更均勻致密，而如果是在-40℃冰箱里干燥的話，可能就會出現(xiàn)部分石墨烯被壓縮成鱗片狀，孔徑變大的現(xiàn)象。這跟石墨烯水凝膠當(dāng)中的結(jié)構(gòu)絕對不一致，經(jīng)歷了額外的再組裝。于是我就調(diào)研冰模板方面的工作，還真發(fā)現(xiàn)在上世紀(jì)有人對冰模板就進行過研究，冰模板可以將納米材料組裝出多層次微觀結(jié)構(gòu)。所以我們設(shè)計了2個結(jié)冰速率很大的實驗，液氮速凍和-10℃冰箱緩凍。應(yīng)該說，差別確實是比較明顯的，石墨烯水凝膠速凍情況下彈性很差，但是機械強度大；而如果采用緩凍的方法，可以產(chǎn)生上百微米級別的大孔結(jié)構(gòu)，并且氣凝膠是彈性的導(dǎo)電材料。這是因為冰晶的大小和結(jié)冰速率有著直接的關(guān)聯(lián)。所以綜合考慮欣諭FD干燥之前的預(yù)凍Z好速凍、速凍方法可以選擇液氮或則欣諭速凍箱，物料預(yù)凍結(jié)晶后再放到欣諭石墨烯專用凍干機的干燥倉內(nèi)開始凍干，請選擇欣諭定制的石墨烯凍干工藝啟動，專用的凍干工藝是針對石墨烯的干燥溫度均勻性的一種程序控溫工藝。
Z后等整個欣諭凍干工藝完成周期后，就可以取出石墨烯了，針刺的石墨烯分離制備完成。目前石墨烯干燥方法-欣諭FD凍干工藝 www.ppl-ppl.com.cn www.xinyu17.com
