石墨烯电导率及其影响因素研究

王常春，孙 蕾，刘中伟，马玉晓，李东田

（1.山东恒华新材料有限公司，山东 临沂 276000；2.临沂大学材料科学与工程学院，山东 临沂 276000）

石墨烯作为新型二维材料，是人类已知强度最高、韧性最好、质量最轻、透光率最高、导电性最佳的材料，其优异的理化性质备受全世界的关注，在催化、储能、微电子器件、功能复合材料、高灵敏传感器等诸多领域具有非常广阔的应用前景。自2004年被发现以来，引起了世界各国的高度关注和热烈追捧。

目前，石墨烯的制备方法主要包括微机械剥离法、外延生长法、化学气相沉积法、氧化石墨烯化学还原法和溶液剥离法等。本文以石墨粉为原材料，采用低温扩张法生产石墨烯，主要原理如图1。

图1 低温扩张法生产石墨烯原理

1 实验部分

1.1 主要原材料

石墨粉（粒径80目，纯度99%，青岛天和达石墨有限公司生产）；金属钠（工业级，山东默锐科技有限公司生产）；液氨（山东祥龙集团生产）。

1.2 试验方法

准确称取46.0g石墨粉及115.5g金属钠依序加入插层反应器中，密封后加入200.0g液氨，搅拌反应，每隔十分钟记录一次反应压力及反应温度；反应结束后（待压力升至最大值并保持半小时不变），泄压回收反应尾气，根据剩余物料重量计算液氨消耗量，补充消耗掉的液氨，继续反应，反应结束后泄压回收尾气，将料放置湿式捕集器中过滤，取过滤粉体，用去离子水清洗至中性，放入260℃烘箱内烘干即得石墨烯。采用ST2722型粉末电阻率测试仪测试石墨烯粉体的电导率。

2 结果与讨论

2.1 物料比例对石墨烯电导率的影响

实验中所用的物料比例如表1所示，其对石墨烯电导率的影响如图2所示。由图可见，随着钠添加量的增加，石墨烯的电导率逐渐增加。这是因为，随着钠添加量的增加，插入石墨层间的插层剂分子增加，在后期膨胀过程中石墨烯剥离剥离效果更好，石墨烯电导率增加。

2.2 插层时间对石墨烯电导率的影响

实验中所用的插层时间如表2所示，其对石墨烯电导率的影响如图3所示。由图3可见，随着插层时间的增加，石墨烯的电导率一开始缓慢增加，随后快速增加。这是因为，随着插层时间的增加，插入石墨层间的插层剂分子增加，在后期膨胀过程中石墨烯剥离剥离效果更好，石墨烯电导率增加。

表1 物料比例对石墨烯电导率的影响

图2 物料比例对石墨烯电导率的影响

表2 插层时间对石墨烯电导率的影响

图3 插层时间对石墨烯电导率的影响

2.3 烘干温度对石墨烯电导率的影响

实验中所用的烘干温度如表3所示，其对石墨烯电导率的影响如图4所示。由图4可见，在物料比和插层时间一定的条件下，烘干温度对石墨烯的电导率并没有非常明显的影响。在烘干温度比较低 （105～145℃）和比较高 （285～305℃）的时候，石墨烯的电导率相对较低。烘干温度165～265℃时石墨烯的电导率比较高。这是因为，烘干温度过高时，可能会导致部分石墨烯的氧化，进而降低了石墨烯的电导率。

表3 烘干温度对石墨烯电导率的影响

图4 烘干温度对石墨烯电导率的影响

2.4 PH值对石墨烯电导率的影响

实验中所用电解液的pH值如表4所示，其对石墨烯电导率的影响如图5所示。由图5可见，随着电解液pH值的降低，石墨烯的电导率一开始快速增加。但当电解液的pH值小于8后，石墨烯电导率增加速度变缓。这是因为，随着电解液pH值的降低，有利于插层剂分子插入石墨层间，在后期膨胀过程中石墨烯剥离剥离效果更好，石墨烯电导率增加。但当电解液的pH值小于8后，石墨层间的插层剂分子增加缓慢，进而影响到石墨烯电导率增速变缓。

表4 PH值对石墨烯电导率的影响

图5 H值对石墨烯电导率的影响

3 结论

采用低温扩张法对石墨插层、膨胀、剥离成功制备了石墨烯粉体，测试了石墨烯粉体的电导率，并对其影响因素进行了分析。实验表明，随着钠添加量的增加，石墨烯的电导率逐渐增加。随着插层时间的增加，石墨烯的电导率一开始缓慢增加，随后快速增加。随着电解液pH值的降低，石墨烯的电导率一开始快速增加。但当电解液的pH值小于8后，石墨烯电导率增加速度变缓。