中文名：石墨烯
英文名：Graphene
應用領(lǐng)域：物理、材料、電子信息、計算機等
載流子遷移率：15000cm2/（V·s）（室溫）
導熱系數(shù)：5300W/mK（單層）
理論楊氏模量：1.0TPa
石墨烯的發(fā)現(xiàn)
實際上石墨烯本來就存在于自然界，只是難以剝離出單層結(jié)構(gòu)。石墨烯一層層疊起來就是石墨，厚1毫米的石墨大約包含300萬層石墨烯。鉛筆在紙上輕輕劃過，留下的痕跡就可能是幾層甚至僅僅一層石墨烯。
2004年，英國曼徹斯特大學的兩位科學家安德烈·蓋姆（Andre Geim）和康斯坦丁·諾沃消洛夫（Konstantin Novoselov）發(fā)現(xiàn)他們能用一種非常簡單的方法得到越來越薄的石墨薄片。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。
石墨烯的合成方法
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)方法為化學氣相沉積法（CVD）。
石墨烯的性質(zhì)
石墨烯具有優(yōu)異的光學、電學、力學特性，在材料學、微納加工、能源、生物醫(yī)學和藥物傳遞等方面具有重要的應用前景。石墨烯是已知強度最高的材料之一，同時還具有很好的韌性，且可以彎曲。
石墨烯具有非常好的熱傳導性能，是目前為止導熱系數(shù)最高的碳材料。石墨烯具有非常良好的光學特性，石墨烯具有非常良好的光學特性，石墨烯具有廣泛應用在超快光子學。石墨烯具有質(zhì)量輕、高化學穩(wěn)定性和高比表面積等優(yōu)點，使之成為儲氫材料的最佳候選者。
由于高導電性、高強度、超輕薄等特性，石墨烯在航天軍工領(lǐng)域的應用優(yōu)勢也是極為突出的。目前石墨烯復合材料的研究主要集中在石墨烯聚合物復合材料和石墨烯基無機納米復合材料上，隨著對石墨烯研究的深入，石墨烯增強體在塊體金屬基復合材料中的應用也越來越受到人們的重視。石墨烯制成的多功能聚合物復合材料、高強度多孔陶瓷材料，增強了復合材料的許多特殊性能。
石墨烯粉體的應用
石墨烯被稱為材料界的“超級材料”。
科學家利用石墨烯能夠研發(fā)一系列具有特殊性能的新材料。
石墨烯的實用化產(chǎn)品分為兩類：石墨烯薄膜和石墨烯粉體。
批量生產(chǎn)石墨烯的方式目前主要是兩種：
一種是利用化學氣相沉積在金屬表面生長出單層率很高，面積很大的石墨烯薄膜材料；
一種是將天然石墨通過物理或者化學的方法粉碎，形成石墨烯粉體。國內(nèi)石墨烯粉體和石墨烯薄膜已具備批量化生產(chǎn)能力，預計一系列石墨烯的產(chǎn)業(yè)化應用即將大規(guī)模鋪開。
石墨烯粉體實際上就是單層石墨烯和多層石墨烯的混合物粉體，其應用領(lǐng)域也極為廣泛。
把石墨烯粉體添加到電纜中，將極大地改善導體材料的性能，電纜的利潤率也將會得到提升，市場前景非常大。
在鋰離子電池行業(yè)，磷酸鐵鋰作為動力鋰離子電池最受關(guān)注的正極材料之一，一直存在導電性能偏弱問題，使用普通石墨粉體對其進行包覆改性，能夠在一定程度上提高磷酸鐵鋰的導電性能。如果使用石墨烯粉體對磷酸鐵鋰進行表面包覆改性，可以極大的提高磷酸鐵鋰的導電性能，大幅降低電池內(nèi)阻，從而提高電池組的大電流工作能力。
石墨烯（graphene，GN）是由單原子層的碳原子經(jīng)過sp2雜化形成的二維原子晶體，單層GN示意圖如圖(a)所示。這種特殊結(jié)構(gòu)蘊含了豐富而新奇的物理現(xiàn)象，使 GN表現(xiàn)出許多優(yōu)異的性質(zhì)。例如，GN的強度是已知材料中最高的，達130GPa，是鋼的100多倍；其載流子遷移率達15000cm2/(V·s)，是目前已知的具有最高遷移率的銻化銦材料的兩倍，超過商用硅片遷移率的10倍以上；其熱導率可達5000W/(m·K)，是金剛石的３倍；其理論比表面積高達2630m2/g。
此外，GN還具有室溫量子霍爾效應及鐵磁性等特殊性質(zhì)。這些性質(zhì)使GN在諸多領(lǐng)域都有著潛在的應用，如場效應晶體管、太陽能電池、鋰離子電池、超級電容器、傳感器、復合材料、催化、吸附、藥物輸送等。同時又由于GN具有性能優(yōu)異、成本低廉、可加工性好等眾多優(yōu)點，人們預測GN在21世紀將掀起一場新的技術(shù)革命。
由于具有機械強度高、化學性質(zhì)穩(wěn)定、比表面積大等突出優(yōu)點，GN在水處理中的應用前景值得期待。但GN的結(jié)構(gòu)為sp2雜化的C原子形成的單原子層，這使其表現(xiàn)出明顯的憎水性。此外，由于范德華力的作用GN片層容易重新堆積形成石墨。在實際應用中常用的是氧化石墨烯(grapheneoxide，GO)它是石墨氧化的產(chǎn)物，它是石墨(graphenexide，GO)，它是石墨氧化的產(chǎn)物，經(jīng)過還原即可轉(zhuǎn)化為GN。GO表面含有大量的含氧基團，如-COOH和-OH等。這些含氧官能團不僅使GO中表現(xiàn)出親水性，而且還可成為活性吸附位吸附水中的重金屬離子，更是制備石墨烯復合材料的前驅(qū)體。GO的結(jié)構(gòu)如圖(b)所示。
石墨、石墨烯、氧化石墨、氧化石墨烯、還原氧化石墨烯！你分清了么
石墨：石墨本體并非是真正意義的二維材料，單層石墨碳原子層(Graphene)才是準二維結(jié)構(gòu)的碳材料。石墨可以看成是多層石墨烯片堆垛而成。
石墨烯：石墨是碳以sp2雜化形成的層狀結(jié)構(gòu)，而其中單獨拿出一層，叫做石墨烯。
氧化石墨：是將石墨通過強氧化劑氧化，使表面生成羥基、羧基等官能團。
氧化石墨烯：將氧化石墨超聲分散后，由于超聲的振蕩，分散作用很容易將氧化石墨分散層片狀的結(jié)構(gòu)即氧化石墨烯。
還原氧化石墨烯（reduced graphene oxide RGO）：將氧化石墨烯用還原劑還原又可得到還原氧化石墨烯，氧化石墨烯中的含氧官能團（基團）沒有被完全去除。
石墨烯是單層的石墨，石墨可以看成是由多層石墨烯一層層疊加起來的，氧化石墨是將石墨通過強氧化劑氧化，表面生成羥基、羧基等官能團，將氧化石墨超聲分散后，由于超聲的振蕩，分散作用很容易將氧化石墨分散層片狀的結(jié)構(gòu)即氧化石墨烯，將氧化石墨烯用還原劑還原又可得到石墨烯。石墨烯是單原子層結(jié)構(gòu)，想象一下像薄膜一樣，如果石墨烯卷曲成管狀就形成了碳納米管，多層疊加成三維結(jié)構(gòu)就又成了石墨，翹起來就是富勒烯。
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，英國兩位科學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，這種方法一度被認為生產(chǎn)效率低，無法工業(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，實現(xiàn)大規(guī)模合成有一定的困難。
2016年， 中國科學家發(fā)明了一種簡單高效的綠色剝離技術(shù)， 通過 “球-微球”間柔和的滾動轉(zhuǎn)移工藝實現(xiàn)了少層石墨烯（層數(shù)3.8±1.9）的規(guī)?；苽?。
氧化還原法
氧化還原法是通過使用硫酸、硝酸等化學試劑及高錳酸鉀、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）。然后將反應物進行水洗，并對洗凈后的固體進行低溫干燥，制得氧化石墨粉體。通過物理剝離、高溫膨脹等方法對氧化石墨粉體進行剝離，制得氧化石墨烯。最后通過化學法將氧化石墨烯還原，得到石墨烯（RGO）。這種方法操作簡單，產(chǎn)量高，但是產(chǎn)品質(zhì)量較低。氧化還原法使用硫酸、硝酸等強酸，存在較大的危險性，又須使用大量的水進行清洗，帶大較大的環(huán)境污染。
使用氧化還原法制備的石墨烯，含有較豐富的含氧官能團，易于改性。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)高溫等外界條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)。
取向附生法
取向附生法是利用生長基質(zhì)原子結(jié)構(gòu)“種”出石墨烯，首先讓碳原子在1150℃下滲入釕，然后冷卻，冷卻到850℃后，之前吸收的大量碳原子就會浮到釕表面，最終鏡片形狀的單層的碳原子會長成完整的一層石墨烯。第一層覆蓋后，第二層開始生長。底層的石墨烯會與釕產(chǎn)生強烈的相互作用，而第二層后就幾乎與釕完全分離，只剩下弱電耦合。但采用這種方法生產(chǎn)的石墨烯薄片往往厚度不均勻，且石墨烯和基質(zhì)之間的黏合會影響碳層的特性。
碳化硅外延法
SiC外延法是通過在超高真空的高溫環(huán)境下，使硅原子升華脫離材料，剩下的C原子通過自組形式重構(gòu)，從而得到基于SiC襯底的石墨烯。這種方法可以獲得高質(zhì)量的石墨烯，但是這種方法對設備要求較高。
赫默法
通過Hummer法制備氧化石墨；將氧化石墨放入水中超聲分散，形成均勻分散、質(zhì)量濃度為0.25g/L～1g/L的氧化石墨烯溶液，再向所述的氧化石墨烯溶液中滴加質(zhì)量濃度為28%的氨水；將還原劑溶于水中，形成質(zhì)量濃度為0.25g/L～2g/L的水溶液；將配制的氧化石墨烯溶液和還原劑水溶液混合均勻，將所得混合溶液置于油浴條件下攪拌，反應完畢后，將混合物過濾洗滌、烘干后得到石墨烯。
化學氣相沉積法
化學氣相沉積法即（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。這是生產(chǎn)石墨烯薄膜最有效的方法。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獨使用，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)過一段時間的反應后，大面積的少數(shù)層石墨烯薄膜會在金屬表面形成。
