石墨烯（二維碳材料）二維碳材料01研究歷史制備方法主要應(yīng)用理化性質(zhì)主要分類(lèi)發(fā)展前景目錄0305020406基本信息石墨烯（Graphene）是一種以sp2雜化連接的碳原子緊密堆積成單層二維蜂窩狀晶格結(jié)構(gòu)的新材料。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(lái)革命性的材料。英國(guó)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(jī)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(jiǎng)。石墨烯常見(jiàn)的粉體生產(chǎn)的方法為機(jī)械剝離法、氧化還原法、SiC外延生長(zhǎng)法，薄膜生產(chǎn)方法為化學(xué)氣相沉積法（CVD）。2018年3月31日，中國(guó)首條全自動(dòng)量產(chǎn)石墨烯有機(jī)太陽(yáng)能光電子器件生產(chǎn)線(xiàn)在山東菏澤啟動(dòng)。2021年10月31日，“2021中國(guó)福建（永安）石墨烯創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽暨項(xiàng)目成果對(duì)接會(huì)”閉幕。會(huì)上，工信部賽迪研究院發(fā)布了《中國(guó)石墨烯產(chǎn)業(yè)發(fā)展競(jìng)爭(zhēng)力指數(shù)（2021）》。研究歷史研究歷史實(shí)際上石墨烯本來(lái)就存在于自然界，只是難以剝離出單層結(jié)構(gòu)。石墨烯一層層疊起來(lái)就是石墨，厚1毫米的石墨大約包含300萬(wàn)層石墨烯。鉛筆在紙上輕輕劃過(guò)，留下的痕跡就可能是幾層甚至僅僅一層石墨烯。2004年，英國(guó)曼徹斯特大學(xué)的兩位科學(xué)家安德烈·蓋姆（AndreGeim）和康斯坦丁·諾沃消洛夫（KonstantinNovoselov）發(fā)現(xiàn)他們能用一種非常簡(jiǎn)單的方法得到越來(lái)越薄的石墨薄片。他們從高定向熱解石墨中剝離出石墨片，然后將薄片的兩面粘在一種特殊的膠帶上，撕開(kāi)膠帶，就能把石墨片一分為二。不斷地這樣操作，于是薄片越來(lái)越薄，最后，他們得到了僅由一層碳原子構(gòu)成的薄片，這就是石墨烯。他們共同獲得2010年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，石墨烯常見(jiàn)的粉體生產(chǎn)的方法為機(jī)械剝離法、氧化還原法、SiC外延生長(zhǎng)法，薄膜生產(chǎn)方法為化學(xué)氣相沉積法（CVD）。

這以后，制備石墨烯的新方法層出不窮。2009年，安德烈·蓋姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫在單層和雙層石墨烯體系中分別發(fā)現(xiàn)了整數(shù)量子霍爾效應(yīng)及常溫條件下的量子霍爾效應(yīng)，他們也因此獲得2010年度諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。在發(fā)現(xiàn)石墨烯以前，大多數(shù)物理學(xué)家認(rèn)為，熱力學(xué)漲落不允許任何二維晶體在有限溫度下存在。所以，它的發(fā)現(xiàn)立即震撼了凝聚體物理學(xué)學(xué)術(shù)界。雖然理論和實(shí)驗(yàn)界都認(rèn)為完美的二維結(jié)構(gòu)無(wú)法在非絕對(duì)零度穩(wěn)定存在，但是單層石墨烯能夠在實(shí)驗(yàn)中被制備出來(lái)。理化性質(zhì)化學(xué)性質(zhì)物理性質(zhì)理化性質(zhì)物理性質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)石墨烯結(jié)構(gòu)圖石墨烯內(nèi)部碳原子的排列方式與石墨單原子層一樣以sp2雜化軌道成鍵，并有如下的特點(diǎn)：碳原子有4個(gè)價(jià)電子，其中3個(gè)電子生成sp2鍵，即每個(gè)碳原子都貢獻(xiàn)一個(gè)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(mǎn)狀態(tài)。研究證實(shí)，石墨烯中碳原子的配位數(shù)為3，每?jī)蓚€(gè)相鄰碳原子間的鍵長(zhǎng)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(gè)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(lèi)似），因而具有優(yōu)良的導(dǎo)電和光學(xué)性能。

單層石墨烯結(jié)構(gòu)圖力學(xué)特性石墨烯是已知強(qiáng)度最高的材料之一，同時(shí)還具有很好的韌性，且可以彎曲，石墨烯的理論楊氏模量達(dá)1.0TPa，固有的拉伸強(qiáng)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(qiáng)度，平均模量可達(dá)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(huì)異常堅(jiān)固強(qiáng)韌?；瘜W(xué)性質(zhì)石墨烯的化學(xué)性質(zhì)與石墨類(lèi)似，石墨烯可以吸附并脫附各種原子和分子。當(dāng)這些原子或分子作為給體或受體時(shí)可以改變石墨烯載流子的濃度，而石墨烯本身卻可以保持很好的導(dǎo)電性。但當(dāng)吸附其他物質(zhì)時(shí)，如H+和OH-時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一些衍生物，使石墨烯的導(dǎo)電性變差，但并沒(méi)有產(chǎn)生新的化合物。因此，可以利用石墨來(lái)推測(cè)石墨烯的性質(zhì)。例如石墨烷的生成就是在二維石墨烯的基礎(chǔ)上，每個(gè)碳原子多加上一個(gè)氫原子，從而使石墨烯中sp2碳原子變成sp3雜化。

可以在實(shí)驗(yàn)室中通過(guò)化學(xué)改性的石墨制備的石墨烯的可溶性片段?；衔镅趸╣rapheneoxide，GO）：一種通過(guò)氧化石墨得到的層狀材料。體相石墨經(jīng)發(fā)煙濃酸溶液處理后，石墨烯層被氧化成親水的石墨烯氧化物，石墨層間距由氧化前的3.35?增加到7~10?，經(jīng)加熱或在水中超聲剝離過(guò)程很容易形成分離的石墨烯氧化物片層結(jié)構(gòu)。XPS、紅外光譜（IR）、固體核磁共振譜（NMR）等表征結(jié)果顯示石墨烯氧化物含有大量的含氧官能團(tuán)，包括羥基、環(huán)氧官能團(tuán)、羰基、羧基等。羥基和環(huán)氧官能團(tuán)主要位于石墨的基面上，而羰基和羧基則處在石墨烯的邊緣處。石墨烷（graphane）：可通過(guò)石墨烯與氫氣反應(yīng)得到，是一種飽和的碳?xì)浠衔铮哂蟹肿邮剑–H）n，其中所有的碳是sp3雜化并形成六角網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，氫原子以交替形式從石墨烯平面的兩端與碳成鍵，石墨烷表現(xiàn)出半導(dǎo)體性質(zhì)，具有直接帶隙。制備方法制備方法機(jī)械剝離法機(jī)械剝離法是利用物體與石墨烯之間的摩擦和相對(duì)運(yùn)動(dòng)，得到石墨烯薄層材料的方法。這種方法操作簡(jiǎn)單，得到的石墨烯通常保持著完整的晶體結(jié)構(gòu)。2004年，英國(guó)兩位科學(xué)使用透明膠帶對(duì)天然石墨進(jìn)行層層剝離取得石墨烯的方法，也歸為機(jī)械剝離法，這種方法一度被認(rèn)為生產(chǎn)效率低，無(wú)法工業(yè)化量產(chǎn)。

這種方法可以制備微米大小的石墨烯，但是其可控性較低，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模合成有一定的困難。

2016年，中國(guó)科學(xué)家發(fā)明了一種簡(jiǎn)單高效的綠色剝離技術(shù)，通過(guò)“球-微球”間柔和的滾動(dòng)轉(zhuǎn)移工藝實(shí)現(xiàn)了少層石墨烯（層數(shù)3.8±1.9）的規(guī)?；苽?。

氧化還原法氧化還原法是通過(guò)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（GraphiteOxide）。然后將反應(yīng)物進(jìn)行水洗，并對(duì)洗凈后的固體進(jìn)行低溫干燥，制得氧化石墨粉體。通過(guò)物理剝離、高溫膨脹等方法對(duì)氧化石墨粉體進(jìn)行剝離，制得氧化石墨烯。最后通過(guò)化學(xué)法將氧化石墨烯還原，得到石墨烯（RGO）。這種方法操作簡(jiǎn)單，產(chǎn)量高，但是產(chǎn)品質(zhì)量較低。氧化還原法使用硫酸、硝酸等強(qiáng)酸，存在較大的危險(xiǎn)性，又須使用大量的水進(jìn)行清洗，帶來(lái)較大的環(huán)境污染。主要分類(lèi)單層石墨烯雙層石墨烯少層石墨烯多層石墨烯主要分類(lèi)單層石墨烯單層石墨烯（Graphene）：指由一層以苯環(huán)結(jié)構(gòu)（即六角形蜂巢結(jié)構(gòu)）周期性緊密堆積的碳原子構(gòu)成的一種二維碳材料。

雙層石墨烯雙層石墨烯（Bilayerordouble-layergraphene）：指由兩層以苯環(huán)結(jié)構(gòu)（即六角形蜂巢結(jié)構(gòu)）周期性緊密堆積的碳原子以不同堆垛方式（包括AB堆垛、AA堆垛等）堆垛構(gòu)成的一種二維碳材料。

少層石墨烯少層石墨烯（Few-layer）：指由3-10層以苯環(huán)結(jié)構(gòu)（即六角形蜂巢結(jié)構(gòu)）周期性緊密堆積的碳原子以不同堆垛方式（包括ABC堆垛，ABA堆垛等）堆垛構(gòu)成的一種二維碳材料。

多層石墨烯多層石墨烯又叫厚層石墨烯（multi-layergraphene）：指厚度在10層以上10nm以下苯環(huán)結(jié)構(gòu)（即六角形蜂巢結(jié)構(gòu)）周期性緊密堆積的碳原子以不同堆垛方式（包括ABC堆垛、ABA堆垛等）堆垛構(gòu)成的一種二維碳材料。

主要應(yīng)用主要應(yīng)用隨著批量化生產(chǎn)以及大尺寸等難題的逐步突破，石墨烯的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用步伐正在加快，基于已有的研究成果，最先實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用的領(lǐng)域可能會(huì)是移動(dòng)設(shè)備、航空航天、新能源電池領(lǐng)域?；A(chǔ)研究石墨烯對(duì)物理學(xué)基礎(chǔ)研究有著特殊意義，它使得一些此前只能在理論上進(jìn)行論證的量子效應(yīng)可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)經(jīng)行驗(yàn)證。在二維的石墨烯中，電子的質(zhì)量仿佛是不存在的，這種性質(zhì)使石墨烯成為了一種罕見(jiàn)的可用于研究相對(duì)論量子力學(xué)的凝聚態(tài)物質(zhì)——因?yàn)闊o(wú)質(zhì)量的粒子必須以光速運(yùn)動(dòng)，從而必須用相對(duì)論量子力學(xué)來(lái)描述，這為理論物理學(xué)家們提供了一個(gè)嶄新的研究方向：一些原來(lái)需要在巨型粒子加速器中進(jìn)行的試驗(yàn)，可以在小型實(shí)驗(yàn)室內(nèi)用石墨烯進(jìn)行。

零能隙的半導(dǎo)體主要是單層石墨烯，這種電子結(jié)構(gòu)會(huì)嚴(yán)重影響到氣體分子在其表面上的作用。單層石墨烯較體相石墨表面反應(yīng)活性增強(qiáng)的功能是由石墨烯的氫化反應(yīng)和氧化反應(yīng)結(jié)果顯示出來(lái)的，說(shuō)明石墨烯的電子結(jié)構(gòu)可以調(diào)變其表面的活性。另外，石墨烯的電子結(jié)構(gòu)可以通過(guò)氣體分子吸附的誘導(dǎo)而發(fā)生相應(yīng)的變化，其不但對(duì)載流子的濃度進(jìn)行改變，同時(shí)可以摻雜不同的石墨烯。發(fā)展前景發(fā)展前景石墨烯的研究與應(yīng)用開(kāi)發(fā)持續(xù)升溫，石墨和石墨烯有關(guān)的材料廣泛應(yīng)用在電池電極材料、半導(dǎo)體器件、透明顯示屏、傳感器、電容器、晶體管等方面。鑒于石墨烯材料優(yōu)異的性能及其潛在的應(yīng)用價(jià)值，在化學(xué)、材料、物理、生物、環(huán)境、能源等眾多學(xué)科領(lǐng)域已取得了一系列重要進(jìn)展。

研究者們致力于在不同領(lǐng)域嘗試不同方法以求制備高質(zhì)量、大面積石墨烯材料。并通過(guò)對(duì)石墨烯制備工藝的不斷優(yōu)化和改進(jìn)，降低石墨烯制備成本使其優(yōu)異的材料性能得到更廣泛的應(yīng)用，并逐步走向產(chǎn)業(yè)化。

中國(guó)在石墨烯研究上也具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，從生產(chǎn)角度看，作為石墨烯生產(chǎn)原料的石墨，在我國(guó)儲(chǔ)能豐富，價(jià)格低廉。正是看到了石墨烯的應(yīng)用前景，許多國(guó)家紛紛建立石墨烯相關(guān)技術(shù)研發(fā)中心，嘗試使用石墨烯商業(yè)化，進(jìn)而在工業(yè)、技術(shù)和電子相關(guān)領(lǐng)域獲得潛在的應(yīng)用專(zhuān)利。如歐盟委員會(huì)將石墨烯作為“未來(lái)新興旗艦技術(shù)項(xiàng)目”，設(shè)立專(zhuān)項(xiàng)研發(fā)計(jì)劃，未來(lái)10年內(nèi)撥出10億歐元經(jīng)費(fèi)。英國(guó)政府也投資建立國(guó)家石墨烯研究所（NGI），力圖使這種材料在