2.3　電弧放電法

電弧放電法廣泛應(yīng)用于石墨烯、富勒烯以及碳納米管的制備中。電弧放電一般是在一個(gè)填充有一定氣體的密封空間內(nèi)進(jìn)行的：在兩個(gè)近距離的石墨電極兩端加足夠的電壓，使空間內(nèi)的氣體發(fā)生電離而導(dǎo)電，從而產(chǎn)生電弧放電現(xiàn)象。在這種情況下，陽極的石墨電極會(huì)被消耗，然后在密封壁上重新沉積形成石墨烯層。在這個(gè)過程中，放電中心的溫度可達(dá)到幾千攝氏度，如此高的溫度有利于缺陷處的碳原子重新組裝，故而這種方法得到的石墨烯結(jié)晶性很高，具有優(yōu)異的導(dǎo)電性和良好的熱穩(wěn)定性。

在電弧放電的過程中，使用的緩沖氣體不同所得的石墨烯的質(zhì)量也會(huì)有所不同。以氫氣作為緩沖氣體時(shí)，電弧放電過程中產(chǎn)生的無定形碳會(huì)被刻蝕除去，使最終獲得的石墨烯的質(zhì)量有所提高。Wu等人報(bào)道了一種氫氣氣氛下的電弧放電法^[43]，他們首先對(duì)用Hummers法制得的石墨氧化物（graphene oxide，GO）進(jìn)行長時(shí)間的烘干處理，然后再將其置于氫氣氛圍下進(jìn)行電弧放電。此后，他們將獲得的石墨烯在NMP中均勻分散，再通過離心分離除去厚層石墨，便可從上清液中獲得少層的石墨烯，最終得到的石墨烯的TEM圖像如圖2.6所示。此后，Li等人用氨氣和氦氣作為緩沖氣體，以純石墨作為電極，成功制得了大小為幾百納米的少層氮摻雜石墨烯^[44]。為了增大電弧放電過程中所得石墨烯的面積，Wu等人將二氧化碳和氦氣作為緩沖氣體，利用電離二氧化碳得到額外的碳源，使得所得少層石墨烯的面積達(dá)到了微米級(jí)^[45]。綜上所述，在電弧放電法中，通過改變緩沖氣體可以實(shí)現(xiàn)對(duì)所得石墨烯的質(zhì)量、摻雜性以及大小進(jìn)行調(diào)節(jié)。

圖2.6　電弧放電法制備得到的石墨烯的TEM圖像^[43]

通常，在電弧放電法中不需要催化劑便可獲得石墨烯。而Huang等人創(chuàng)新性地引入ZnO或ZnS作為催化劑，使得所得石墨烯的產(chǎn)量顯著提高，獲得了約3g的高質(zhì)量石墨烯^[46]。同時(shí)，他們還發(fā)現(xiàn)，當(dāng)使用銅粉作為催化劑時(shí)可以進(jìn)一步提高所得石墨烯的質(zhì)量，并能夠減少所得石墨片的層數(shù)。

作為一種可量產(chǎn)的方法，電弧放電法可以得到高質(zhì)量的石墨烯。同時(shí)，通過改變緩沖氣體的類型以及在電弧放電的過程中引入催化劑，還可以對(duì)產(chǎn)物的質(zhì)量以及產(chǎn)量進(jìn)行調(diào)節(jié)。然而，這種方法仍然很難獲得大面積、單層的石墨烯；此外，有關(guān)電弧放電法獲得石墨烯的機(jī)理仍然有待進(jìn)一步探究。