石墨烯 (二维碳材料)
石墨烯（二维碳材料）编辑
石墨烯（Graphene）是由碳原子构成的只有一层原子厚度的二维晶体。2004年，英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·盖姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫，成功从石墨中分离出石墨烯，证实它可以单独存在，两人也因此共同获得2010年诺贝尔物理学奖。
在2015年石墨烯发现之前，石墨烯既是最薄的材料，也是最强韧的材料，断裂强度比最好的钢材还要高200倍。同时它又有很好的弹性，拉伸幅度能达到自身尺寸的20%。它是目前自然界最薄、强度最高的材料，如果用一块面积1平方米的石墨烯做成吊床，本身重量不足1毫克便可以承受一只一千克的猫。
石墨烯目前最有潜力的应用是成为硅的替代品，制造超微型晶体管，用来生产未来的超级计算机。用石墨烯取代硅，计算机处理器的运行速度将会快数百倍。
另外，石墨烯几乎是完全透明的，只吸收2.3%的光。另一方面，它非常致密，即使是最小的气体原子（氢原子）也无法穿透。这些特征使得它非常适合作为透明电子产品的原料，如透明的触摸显示屏、发光板和太阳能电池板。
作为目前发现的最薄、强度最大、导电导热性能最强的一种新型纳米材料，石墨烯被称为“黑金”，是“新材料之王”，科学家甚至预言石墨烯将“彻底改变21世纪”。极有可能掀起一场席卷全球的颠覆性新技术新产业革命。[1]
研究历史
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实际上石墨烯本来就存在于自然界，只是难以剥离出单层结构。石墨烯一层层叠起来就是石墨，厚1毫米的石墨大约包含300万层石墨烯。铅笔在纸上轻轻划过，留下的痕迹就可能是几层甚至仅仅一层石墨烯。石墨烯在实验室中是在2004年，当时，英国曼彻斯特大学的两位科
学家安德烈·盖姆（Andre Geim）和克斯特亚·诺沃消洛夫（Konstantin Novoselov）发现他们能用一种非常简单的方法得到越来越薄的石墨薄片。他们从高定向热解石墨中剥离出石墨片，然后将薄片的两面粘在一种特殊的胶带上，撕开胶带，就能把石墨片一分为二。不断地这样操作，于是薄片越来越薄，最后，他们得到了仅由一层碳原子构成的薄片，这就是石墨烯。这以后，制备石墨烯的新方法层出不穷，经过5年的发展，人们发现，将石墨烯带入工业化生产的领域已为时不远了。因此，在随后三年内, 安德烈·盖姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫在单层和双层石墨烯体系中分别发现了整数量子霍尔效应及常温条件
下的量子霍尔效应，他们也因此获得2010年度诺贝尔物理学奖。
在发现石墨烯以前，大多数物理学家认为，热力学涨落不允许任何二维晶体在有限温度下存在。所以，它的发现立即震撼了凝聚体物理学学术界。虽然理论和实验界都认为完美的二维结构无法在非绝对零度稳定存在,但是单层石墨烯在实验中被制备出来。
主要制备方法
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石墨烯分为石墨烯粉体和石墨烯薄膜两大类。常见的石墨粉体生产的方法为机械剥离法、氧化还原法、SiC外延生长法。石墨烯薄膜生产方法为化学气相沉积法（CVD）。
一、石墨烯粉体生产方法
1、机械剥离法
机械剥离法是利用物体与石墨烯之间的摩擦和相对运动，得到石墨烯薄层材料的方法。这种方法操作简单，得到的石墨烯通常保持着完整的晶体结构[2]。2004年英国两位科学使用透明胶带对天然石墨进行层层剥离取得石墨烯的方法，也归为机械剥离法，这种方法一度被认为生产效率低，无法工业化量产。
近年来，产业界对于石墨烯的生产方法进行了大量的研发创新，目前在厦门、广东等省市已经有几家公司攻克了低成本大规模制备石墨烯的生产瓶颈，使用机械剥离法工业化量出成本低、品质高的石墨烯。
2、氧化还原法
氧化还原法是通过使用硫酸、硝酸等化学试剂及高锰酸钾、双氧水等氧化剂将天然石墨氧化，增大石墨层之间的间距，在石墨层与层之间插入氧化物，制得氧化石墨(Graphite Oxide)。然后将反应物进行水
洗，并对洗净后的固体进行低温干燥，制得氧化石墨粉体。通过物理剥离、高温膨胀等方法对氧化石墨粉体进行剥离，制得氧化石墨烯。最后通过化学法将氧化石墨烯还原，得到石墨烯（RGO）。这种方
法操作简单，产量高，但是产品质量较低[3]。氧化还原法使用硫酸、硝酸等强酸，存在较大的危险性，又须使用大量的水进行清洗，带大较大的环境污染。
使用氧化还原法制备的石墨烯，含有较丰富的含氧官能团，易于改性。但由于在对氧化石墨烯进行还原时，较难控制还原后石墨烯的氧含量，同时氧化石墨烯在阳光照射、运输时车厢内高温等外界每件影响下会不断的还原，因此氧化还原法生产的石墨烯逐批产品的品质往往不一致，难以控制品质。
目前不少人将氧化石墨、氧化石墨烯、还原氧化石墨烯概念理解混淆。氧化石墨呈棕色，为石墨与氧化物聚合体。氧化石墨烯系将氧化石墨剥离至单层、双层或寡层后的产物，含有大量的含氧基团，因此氧化石墨烯不导电，氧化石墨烯性质活跃，在使用过程中特别是参与高温材料加工过程中，会不断还原并释放出二氧化硫等气体。通过将氧化石墨烯还原之后的产品，才能称为石墨烯（还原氧化石墨烯）。
3、SiC外延法
SiC外延法是通过在超高真空的高温环境下，使硅原子升华脱离材料，剩下的C原子通过自组形式重构，从而得到基于SiC衬底的石墨烯。
这种方法可以获得高质量的石墨烯，但是这种方法对设备要求较高。
[4]
二、石墨烯薄膜生产方法
CVD是使用含碳有机气体为原料进行气相沉积制得石墨烯薄膜的方法。这是目前生产石墨烯薄膜最有效的方法。这种方法制备的石墨烯具有面积大和质量高的特点，但现阶段成本较高，工艺条件还需进一步完善。由于石墨烯薄膜的厚度很薄，因此大面积的石墨烯薄膜无法单独使用，必须附着在宏观器件中才有使用价值，例如触摸屏、加热器件等。
主要分类
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单层石墨烯
单层石墨烯（Graphene）：指由一层以苯环结构（即六角形蜂巢结构）周期性紧密堆积的碳原子构成的一种二维碳材料。
双层石墨烯
双层石墨烯（Bilayer or double-layer graphene）：指由两层以苯环结构（即六角形蜂巢结构）周期性紧密堆积的碳原子以不同堆垛方式（包括AB堆垛，AA堆垛，AA…堆垛等）堆垛构成的一种二维碳材料。
少层石墨烯
少层石墨烯（Few-layer）：指由3-10层以苯环结构（即六角形蜂巢结构）周期性紧密堆积的碳原子以不同堆垛方式（包括ABC堆垛，ABA堆垛等）堆垛构成的一种二维碳材料。
多层或厚层石墨烯
多层或厚层石墨烯（multi-layer graphene）：指厚度在10层以上10nm 以下苯环结构（即六角形蜂巢结构）周期性紧密堆积的碳原子以不同堆垛方式（包括ABC堆垛，ABA堆垛等）堆垛构成的一种二维碳材料。
基本特性
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石墨烯具有完美的二维晶体结构，它的晶格是由六个碳原子围成的六边形，厚度为一个原子层。碳原子之间由σ键连接，结合方式为sp2杂化，这些σ键赋予了石墨烯极其优异的力学性质和结构刚性。石墨
烯的硬度比最好的钢铁强100倍，甚至还要超过钻石。在石墨烯中，每个碳原子都有一个未成键的p电子，这些p电子可以在晶体中自由移动，且运动速度高达光速的1/300，赋予了石墨烯良好的导电性。石墨烯是新一代的透明导电材料，在可见光区，四层石墨烯的透过率与传统的ITO薄膜相当，在其它波段，四层石墨烯的透过率远远高于ITO 薄膜。[5]
石墨烯是已知的世上最薄、最坚硬的纳米材料，它几乎是完全透明的，只吸收2.3%的光；导热系数高达5300W/m·K，高于碳纳米管和金刚石，常温下其电子迁移率超过15000cm2/V·s，又比纳米碳管或硅晶体高，而电阻率只约10-6Ω·cm，比铜或银更低，为世上电阻率最小的材料。因其电阻率极低，电子迁移的速度极快，因此被期待可用来发展更薄、导电速度更快的新一代电子元件或晶体管。由于石墨烯实质上是一种透明、良好的导体，也适合用来制造透明触控屏幕、光板、甚至是太阳能电池。
石墨烯的出现在科学界激起了巨大的波澜。人们发现，石墨烯具有非同寻常的导电性能，超出钢铁数十倍的强度和极好的透光性，它的出现有望在现代电子科技领域引发一轮革命。在石墨烯中，电子能够极为高效地迁移，而传统的半导体和导体，例如硅和铜远没有石墨烯表现得好。由于电子和原子的碰撞，传统的半导体和导体用热的形式释放了一些能量，2013年一般的电脑芯片以这种方式浪费了72%-81%的电能，石墨烯则不同，它的电子能量不会被损耗，这使它具有了非比寻常的优良特性。
石墨烯独特的性能与其电子能带结构紧密相关。
石墨烯电子能带结构
以独立碳原子为基，将周围碳原子产生的势作为微扰，可以用矩阵的方法计算出石墨烯的能级分布。在狄拉克点（Dirac Point）附近展开，可得能量与波矢呈线性关系（类似于光子的色散关系），且在狄拉克点出现奇点（singularity）。这意味着在费米面附近，石墨烯中电子的有效质量为零，这也解释了该材料独特的电学等性质。
主要应用
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石墨烯对物理学基础研究有着特殊意义，它使一些此前只能纸上谈兵的量子效应可以通过实验来验证，例如电子无视障碍、实现幽灵一般的穿越。但更令人感兴趣的，是它那许多“极端”性质的物理性质。因为只有一层原子，电子的运动被限制在一个平面上，石墨烯也有着全新的电学属性。石墨烯是世界上导电性最好的材料，电子在其中的运动速度达到了光速的1/300，远远超过了电子在一般导体中的运动速度。
在塑料里掺入百分之一的石墨烯，就能使塑料具备良好的导电性；加入千分之一的石墨烯，能使塑料的抗热性能提高30摄氏度。在此基础上可以研制出薄、轻、拉伸性好和超强韧新型材料，用于制造汽车、飞机和卫星。
随着批量化生产以及大尺寸等难题的逐步突破，石墨烯的产业化应用步伐正在加快，基于已有的研究成果，最先实现商业化应用的领域可能会是移动设备、航空航天、新能源电池领域。
消费电子展上可弯曲屏幕备受瞩目，成为未来移动设备显示屏的发展趋势。柔性显示未来市场广阔，作为基础材料的石墨烯前景也被看好。有数据显示2013年全球对手机触摸屏的需求量大概在9.65亿片。到2015年，平板电脑对大尺寸触摸屏的需求也将达到2.3亿片，为石墨烯的应用提供了广阔的市场。韩国三星公司的研究人员也已制造出由多层石墨烯等材料组成的透明可弯曲显示屏，相信大规模商用指日可待。
另一方面，新能源电池也是石墨烯最早商用的一大重要领域。之前美国麻省理工学院已成功研制出表面附有石墨烯纳米涂层的柔性光伏电池板，可极大降低制造透明可变形太阳能电池的成本，这种电池有可能在夜视镜、相机等小型数码设备中应用。另外，石墨烯超级电池的成功研发，也解决了新能源汽车电池的容量不足以及充电时间长的问题，极大加速了新能源电池产业的发展。这一系列的研究成果为石墨烯在新能源电池行业的应用铺就了道路。
由于高导电性、高强度、超轻薄等特性，石墨烯在航天军工领域的应用优势也是极为突出的。前不久美国NASA开发出应用于航天领域的石墨烯传感器，就能很好的对地球高空大气层的微量元素、航天器上的结构性缺陷等进行检测。而石墨烯在超轻型飞机材料等潜在应用上也将发挥更重要的作用。
发展前景
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全球市场
美国俄亥俄州的Nanotek仪器公司利用锂电池在石墨烯表面和电极之间快速大量穿梭运动的特性，开发出一种新的电池。这种新的电池可把数小时的充电时间压缩至短短不到一分钟。分析人士认为，未来一分钟快充石墨烯电池实现产业化后，将带来电池产业的变革，从而也促使新能源汽车产业的革新。
2013年初，美国加州大学洛杉矶分校的研究人员就开发出一种以石墨烯为基础的微型超级电容器，该电容器不仅外形小巧，而且充电速度为普通电池的1000倍，可以在数秒内为手机甚至汽车充电，同时可用于制造体积较小的器件。[6]
微型石墨烯超级电容技术突破可以说是给电池带来了革命性发展。当前主要制造微型电容器的方法是平板印刷技术，需要投入大量的人力和成本，阻碍了产品的商业应用。以后只需要常见的DVD刻录机，甚至是在家里，利用廉价材料30分钟就可以在一个光盘上制造100多个微型石墨烯超级电容。
正是看到了石墨烯的应用前景，许多国家纷纷建立石墨烯相关技术研发中心，尝试使用石墨烯商业化，进而在工业、技术和电子相关领域获得潜在的应用专利。欧盟委员会将石墨烯作为“未来新兴旗舰技术
项目”，设立专项研发计划，未来10年内拨出10亿欧元经费。英国政府也投资建立国家石墨烯研究所(NGI)，力图使这种材料在未来几十年里可以从实验室进入生产线和市场。
2015年1月，西班牙Graphenano公司（一家以工业规模生产石墨烯
的公司）同西班牙科尔瓦多大学合作研究出首例石墨烯聚合材料电池，其储电量是目前市场最好产品的三倍，用此电池提供电力的电动车最多能行驶1000公里，而其充电时间不到8分钟。Graphenano公司计
划于2015年将此电池投入生产，并且计划与德国四大汽车公司中的
两家（现在还不方便透露公司名称）将在本月和电动汽车进行试验。
[7]
韩国研究人员在硅基底上成功合成了晶片级的高质量多层石墨烯。该方法基于一种离子注入技术，简单而且可升级。这一成果使石墨烯离商业应用更近一步。晶片级的石墨烯可能是微电子线路中一个必不可
少的组成部分，但大部分石墨烯制造方法都与硅微电子器件不兼容，阻碍了石墨烯从潜在材料向实际应用的跨越。[8]
美国普渡大学(Purdue University)正在研究通过新的、更加简单的方式制造纳米电极材料的工艺。该大学的研究表明，在电池中使用纳米材料，将会增加电池的充电容量和充放电速度。
目前，韩国的三星电子也在从事旨在硅表面添加石墨烯涂层的硅基阳极物质的研究。如果该研究能够取得成功，锂离子蓄电池的寿命将会提高到2倍以上。
该研究综合了硅基材料寿命长和石墨烯材料充电容量大的优点，重点解决如何在硅基材料上建立石墨烯涂层的工艺化问题。
三星的研究人员通过在碳化硅电极的表面涂布石墨烯涂层，有效地扩展了阳极的表面积。同时与阴极所使用的锂钴氧化物进行组合，使电池的充电电源的单位体积能量密度油料较大的提高，其寿命也增加到母线市场销售的锂离子蓄电池的1.5-1.8倍。
2015年9月2日，据日本的科学技术振兴机构(JST)与日本东北大学的原子分子材料科学高等研究机构(AIMR)发表，在作为下一代蓄电池而被热切期待的锂空气电池中，通过使用具备三维构造的多孔材质石墨烯作为阳极材料，获得了较高的能量利用效率和100次以上的充放电性能。如果电动车使用这种新型电池，则巡航里程将从目前的200公里左右增加到500-600公里左右。[9]
中国方面
中国在石墨烯研究上也具有独特的优势，从生产角度看，作为石墨烯生产原料的石墨，在我国储能丰富，价格低廉。另外，批量化生产和大尺寸生产是阻碍石墨烯大规模商用的最主要因素。而我国最新的研究成果已成功突破这两大难题，制造成本已从5000元/克降至3元/克，解决了这种材料的量产难题。利用化学气相沉积法成功制造出了国内首片15英寸的单层石墨烯，并成功地将石墨烯透明电极应用于电阻触摸屏上，制备出了7英寸石墨烯触摸屏。
中科院重庆绿色智能技术研究院的研究人员在展示单层石墨烯产品的超强透光性和柔性。
中国石墨烯产业技术创新战略联盟率领贝特瑞、正泰集团、常州第六元素、亿阳集团等四家上市公司的代表参加了西班牙的石墨烯会议，并分别与意大利、瑞典代表团签订了深度战略合作协议，为“石墨烯全球并购，中国整合”战略打响了第一枪。此外，3月初全球首批3万部量产石墨烯手机在重庆发布，开启了石墨烯产业化应用的新时代。石墨烯入选“十三五”新材料规划已经基本落定，预计2015年将成为中国石墨烯产业爆发元年。[10]
2014年3月20日，中国科学院山西煤炭化学研究所陈成猛课题组与清华大学和中科院金属研究所相关团队合作，成功研制出高导热石墨烯/炭纤维柔性复合薄膜，其厚度在10~200 μm之间可控，室温面向热导率高达977 W/m·K，拉伸强度超过15 MPa。[11]
2014年11月26日，中国科学技术大学吴恒安教授、王奉超特任副研究员与安德烈-海姆教授课题组及荷兰内梅亨大学研究人员合作，在石墨烯等类膜材料输运特性研究方面首次发现，石墨烯可以作为良好的“质子传导膜”，国际顶尖学术期刊《自然》在线发表了这一研究成果。
2015年03月02日，全球首批3万部石墨烯手机在渝发布，该款手机采用了
最新研制的石墨烯触摸屏、电池和导热膜，可接受官方预定，16G售价2499元。其核心技术由中国科学院重庆绿色智能技术研究院和中国科学院宁波材料技术与工程研究所开发。[12]
2015年5月18日，国家金融信息中心指数研究院在江苏省常州市发布了全球首个石墨烯指数。指数评价结果显示，全球石墨烯产业综合发展实力排名前三位的国家分别是美国、日本和中国。[13]
2015年5月，南开大学化学学院周震教授课题组发现一种可呼吸二氧化碳电池。这种电池以石墨烯用作锂二氧化碳电池的空气电极，以金属锂作负极，吸收空气中的二氧化碳释放能量。[14]
2015年6月，南开大学化学学院陈永胜教授和物理学院田建国教授的联合科研团队通过3年的研究，获得了一种特殊的石墨烯材料。该材料可在包括太阳光在内的各种光源照射下驱动飞行，其获得的驱动力是传统光压的千倍以上。该研究成果令“光动”飞行成为可能。[15] 2015年10月习近平访英期间，华为与英国曼彻斯特大学共同宣布将在石墨烯领域展开研究。[16]
据工信部网站11月30日消息，为引导石墨烯产业创新发展，助推传统产业改造提升、支撑新兴产业培育壮大、带动材料产业升级换代，发改委、工信部、科技部等三部门印发关于加快石墨烯产业创新发展的若干意见。[17]
为加快推进京津冀石墨烯产业发展，培育新的产业增长点，2015年12月20日，京津冀石墨烯产业发展联盟在京成立，未来将形成以河北唐山为中心，跨越京津冀等地区，集生产、研发、检验检测、融资服务等为一体的石墨烯产业集群，形成京津冀战略性新兴产业高地。预计到2017年底，将实现20亿元以上的年产值。[18]
2016年4月27日全球首款
在广州宣布成功研发问世，这一技术将电子纸的性能提升到一个新的高度，也为石墨烯的产业化开创了一个全新的空间，标志着我国在石墨烯应用上已经走在了世界的前沿。
在历时近一年历经艰辛的研制过程后，广州奥翼与重庆墨希共同开发出能够替换ITO薄膜的石墨烯薄膜，以及相应的电子墨水配方和涂布工艺，使电子墨水能够涂覆于石墨烯薄膜上形成石墨烯电子纸。
该石墨烯电子纸可与柔性或刚性驱动底板相结合，制作出刚性石墨烯电子纸显示屏和超柔性石墨烯电子纸显示屏。该石墨烯电子纸与传统的电子纸相比，具有弯曲能力更强，强度更高；相对比ITO薄膜，采用石墨烯不但能降低产品成本，而且石墨材料取之不竭；此外，由于石墨烯材料的透光率高，将会使电子纸显示的亮度更好。奥翼预计半年内能够实现对石墨烯电子纸的量产。[19]
主要影响
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由于其独有的特性，石墨烯被称为“神奇材料”，科学家甚至预言其将“彻底改变21世纪”。曼彻斯特大学副校长Colin Bailey教授称：“石墨烯有可能彻底改变数量庞大的各种应用，从智能手机和超高速宽带到药物输送和计算机芯片。
石墨烯纳米材料及其应用
墨烯纳米材料及其应
二?一七年十二月
摘要 ................. 错误!未定义书签 1引言................ 错误!未定义书签 2石墨烯纳米材料介绍......... 错误!未定义书签 3石墨烯纳米材料吸附污染物...... 错误!未定义书签金属离子吸附........... 错误!未定义书签 有机化合物的吸附......... 错误!未定义书签 4石墨烯在膜及脱盐技术上的应用..… 错误!未定义书签石墨烯基膜............ 错误!未定义书签 采用石墨烯材料进行膜改进..... 错误!未定义书签 石墨烯基膜在脱盐技术的应用??… 错误!未定义书签5展望................ 错误!未定义书签
石墨烯因为其独特的物理化学方面的性质，特别是其拥有较高的比表面积、 较高的电导率、较好的机械强度和导热性，使其作为一种新颖的纳米材料赢得了越来越广泛的关注。 关键词：石墨烯；碳材料；环境问题；纳米材料 1引言 随着世界人口的增长，农业和工业生产出现大规模化的趋势。空气，土壤和水生生态系统受到严重的污染；全球气候变暖等环境问题正在成为政治和科学关注的重点。目前全球已经开始了解人类活动对环境的影响，并开发新技术来减轻相关的健康和环境影响。在这些新技术中，纳米技术的发展已经引起了广泛的关注。 纳米材料由于其在纳米级尺寸而具有独特的性质，可用于设计新技术或提高现有工艺的性能。纳米材料在水处理，能源生产和传感方面已经有了诸多应用，越来越多的文献描述了如何使用新型纳米材料来应对重大的环境挑战。 石墨烯引起了诸多研究人员的关注。石墨烯是以sp2杂化连接的碳原子层构成的二维材料，其厚度仅为一个碳原子层的厚度。这种“只有一层碳原子厚的碳薄片”，被公认为目前世界上已知的最薄、最坚硬、最有韧性的新型材料。石墨烯具有超高的强度，碳原子间的强大作用力使其成为目前已知力学强度最高的材料。石墨烯还具有特殊的电光热特性，包括室温下高速的电子迁移率、半整数量子霍尔效应、自旋轨道交互作用、高理论比表面积、高热导率和高模量、高强度, 被认为在单分子探测器、集成电路、场效应晶体管等量子器件、功能性复合材料、储能材料、催化剂载体等方面有广泛的应用前景。在环境领域，石墨烯已被应用于新型吸附剂或光催化材料，其作为下一代水处理膜的构件，常用作污染物监测。 2石墨烯纳米材料介绍 单层石墨烯属于单原子层紧密堆积的二维晶体结构（）。在石墨烯平面内，碳原子以六兀环形式周期性排列，每个碳原子通过C键与临近的二个碳原子相连，S Px和Py三个杂化轨道形成强的共价键合，组成sp2杂化结构，具有120° 的键角。石墨烯可由石墨单层剥离而产生，最初是通过微机械剥离，使用胶带依次将石墨粘黏成石墨烯来实现。Geim和Novoselov
纳米石墨烯的特性以及应用
纳米石墨烯的特性以及应用 摘要：石墨烯是指从石墨材料中剥离出来、由碳原子组成的只有一层原子厚度的二维晶体。在石墨烯中，碳原子之间以σ键相连接，这些σ键赋予了石墨烯极其强大的机械性能；同时，由于碳原子的结合方式为SP2杂化，因此每个碳原子都有一个孤电子，从而赋予了其优秀的导电性。而近年来，纳米石墨烯以及其氧化物，由于自身良好的生物相容性以及较大的表面积，在生物医药等领域的应用取得了极大的进展，本文将简述石墨烯以及其氧化物的特性，并举例分析其在生物载药工厂中的作用。 关键词：纳米石墨烯；纳米氧化石墨烯；生物医药；药物传递 一．纳米石墨烯以及氧化纳米石墨烯自身特性 1.1 纳米石墨烯自身特性 纳米石墨烯与石墨烯的概念容易混淆，但本质上是同一个物质。纳米石墨烯代表的是厚度在纳米级别的石墨烯。一般程度上严格定义的石墨烯都是单层的，而纳米石墨烯则有可能是多层的。纳米石墨烯常常被称为石墨烯纳米片，也被称为碳纳米片（ CNFs ）或碳纳米壁（ CNWs）。人们所熟悉的富勒烯，碳纳米管，石墨等碳材料，本质的基础单元就是石墨烯。 石墨烯最迷人的地方在于它的纯粹。单层原子的结构使得石墨烯具有极薄的性质，但由于碳原子之间强韧的σ键以及整个二维晶体平面的拉伸性能，使得石墨烯同时具有了非常高的强度性能，杨氏模量为1100Gpa，而断裂强度则达到惊人的125Gpa，这样的机械性能使得石墨烯几乎可以被利用在任何需要高强度材料的领域。 而与此同时，石墨烯二维晶体表面流动的孤电子赋予了它优越的导电性能。由于自身电阻率非常小，石墨烯被视为下一个可以取代“硅”的导电原材料，人们希望能制备出具有更高性能的现代计算机芯片或处理器。 1.2 氧化纳米石墨烯自身特性 氧化纳米石墨烯，英文缩写为GO，顾名思义是石墨烯的氧化物。氧化石墨烯保留了原有的层状结构，通过强氧化剂（例如高锰酸钾）开环，使得部分双键断裂，引入了许多含氧的官能团，例如羧基，羟基，环氧基等。这些活泼的含氧功能团赋予了石墨烯更为活泼的性能。
纳米材料石墨烯
石墨烯 前言： 石墨烯是继富勒烯、碳纳米管之后纳米材料研究领域又一里程碑式的重大科学发现。2004年英国Manchester大学的Geim等Science上报道了单层石墨烯( graphene)的发现，石墨烯研究热潮的序幕就此拉开。至此，碳纳米家族中的零维富勒烯、一维碳纳米管、二维石墨烯，加上此前早为人们所熟知的宏观碳晶体材料三维金刚石和石墨，所有维度上具有晶体结构的碳材料均已被人们所认识和发现。碳纳米材料在基础科学研究领域享有很高的关注度，1985年发现的富勒烯荣获1996年的诺贝尔化学奖，2010年石墨烯在其被发现的第6个年头就获得了诺贝尔物理奖，这些足以证明碳纳米材料发现和研究的重要科学意义。 石墨烯是碳原子以sp杂化连接的单原子层构成的二维原子晶体，其基本结构单元为有机材料中最稳定的苯六元环结构，从结构上来看石墨烯可以看做是富勒烯、碳纳米管以及石墨等碳材料的基本组成单元，其通过包裹成球可以得到富勒烯，沿着固定轴旋转可以形成碳纳米管，多层石墨烯堆叠组装在一起就形成了石墨片。 石墨烯是单层原子厚度的石墨，当施加外力时，碳原子面就弯曲变形，从而使碳原子不必重新排列也保持结构稳定。石墨烯中的电子在轨道中移动时，不会因晶格缺陷或引入外来原子而发生散射。由于石墨烯片平面内π轨道的存在，电子可在晶体中自由移动，使得石墨烯具有十分优异的电子传输性能。其还具有很多特殊性质，比如零能隙，反常的量子霍耳效应，朗道量子性等，吸引了国内外学者从凝聚态电子结构、输运性质到相对论的研究等众多方面的研究兴趣。 虽然石墨烯刚刚被发现不久，目前也已经有了一定的应用领域，但是制备石墨烯的方法都比较复杂，整个工艺过程很难控制，且只能生产少量的石墨烯纳米薄膜。虽然石墨烯作为工程材料具有很大的应用前景，然而如何有效方便地制备出高质量二维石墨烯纳米薄膜是发展研究和应用的关键所在。因此，应寻找一种快速的、可控的高质量石墨烯纳米薄膜的制备工艺。 正文 目前，石墨烯的制备手段通常可以分为两种类型：化学方法和物理方法。物理方法，是从具有高晶格完备性的石墨或者类似的材料来获得，获得的石墨烯尺度都在80 nm 以上。而化学方法是通过小分子的合成或溶液分离的方法制备的，得到石墨烯尺度在
石墨烯纳米材料(论文)
《应用胶体化学》论文大作业 ——石墨烯纳米材料 姓名：杨晓 学号：200900111143 年级：2009级 2011-12-11
摘要：石墨烯是继富勒烯、碳纳米管之后发现的一种具有二维平面结构的碳纳米材料,它自 2004 年发现被以来，成为凝聚态物理与材料科学等领域的一个研究热点。石墨烯是目前发现的唯一存在的二维自由态原子晶体, 它是构筑零维富勒烯、一维碳纳米管、三维体相石墨等sp2 杂化碳的基本结构单元, 具有很多奇异的电子及机械性能。因而吸引了化学、材料等其他领域科学家的高度关注。本文简要介绍了石墨烯的性能特点、制备方法，着重对石墨烯纳米复合材料进行了介绍，对石墨烯纳米材料的制备方法、理化性质、国内外研究进展、石墨烯纳米材料的优缺点及应用前景进行了详细介绍。 关键词：石墨烯纳米材料复合物特性制备应用
目录 引言 (4) 一石墨烯纳米材料的理论与实际意义 (4) 二石墨烯纳米材料的国内外研究现状及比较分析 (5) 2.1 石墨烯纳米材料的国内外研究 (5) 2.1.1 国外研究 (5) 2.1.2 国内研究 (8) 2.2 石墨烯纳米材料的国内外研究比较分析 (11) 三文献中石墨烯纳米材料的研究方案 (11) 3.1 聚乳酸/ 纳米羟基磷灰石/ 氧化石墨烯(PLA/n-HA/GO)纳米复合膜的制备及生物性 (11) 3.1.1 实验试剂 (11) 3.1.2 PLA/n-HA/GO纳米复合膜的制备 (11) 3.2 石墨烯负载Pt催化剂的制备及催化氧还原性能[43] (12) 3.2.1 试剂和仪器 (12) 3.2.2 石墨烯负载Pt催化剂的制备 (12) 3.3 石墨烯的制备和改性及其聚合物复合的研究进展[44] (12) 3.3.1 石墨烯的制备 (12) 3.3.2 制备聚合物基复合材料 (14) 3.4 石墨烯/聚合物复合材料的研究进展[45] (14) 3.4.1 石墨烯的制备 (14) 3.4.2 石墨烯/聚合物复合材料的制备 (15) 3.5 石墨烯的合成与应用[46] (16) 3.5.1 微机械分离法（micromechanical cleavage） (16) 3.5.2 取向附生法———晶膜生长（eqitaxial growth） (16) 3.5.3 加热SiC的方法 (17) 3.5.4 化学分散法 (17) 四结合胶体理论与性质比较分析各种石墨烯纳米材料的优缺点 (17) 4.1 石墨烯 (17) 4.2 氧化石墨烯 (18) 4.3 石墨烯/无机物纳米材料 (18) 4.4 石墨烯/聚合物纳米材料 (18) 五展望石墨烯纳米材料的应用前景 (18) 参考文献 (20)
高分子_石墨烯纳米复合材料研究进展
高分子／石墨烯纳米复合材料研究进展 高秋菊１，夏绍灵１，２＊ ，邹文俊１，彭 进１，曹少魁２ （１．河南工业大学材料科学与工程学院，郑州 ４５０００１；２．郑州大学材料科学与工程学院，郑州 ４５００５２ ）收稿：２０１２－０１－０９；修回：２０１２－０４－ ２４；基金项目：郑州科技攻关项目（０９１０ＳＧＹＧ２３２５８－ １）；作者简介：高秋菊（１９８４—），女，硕士研究生，主要从事高分子复合材料的研究。Ｅ－ｍａｉｌ：ｇａｏｑｉｕｊ ｕ２００８＠ｙａｈｏｏ．ｃｏｍ．ｃｎ；＊通讯联系人，Ｔｅｌ：０３７１－６７７５８７２２；Ｅ－ｍａｉｌ：ｓｈａｏｌｉｎｇ ＿ｘｉａ＠ｈａｕｔ．ｅｄｕ．ｃｎ． 摘要： 石墨烯以其优异的力学、光学、电学和热学性能，得到日益广泛的关注和研究。本文介绍了石墨烯的结构、性能和特点，并对石墨烯的改性方法进行了概括。本文着重综述了高分子／石墨烯纳米复合材料的研究现状和进展，并介绍了高分子／石墨烯纳米复合材料的三种制备方法，即原位插层聚合法、溶液插层法和熔融插层法。此外，还对高分子／石墨烯纳米复合材料的应用前景进行了展望，并对石墨烯复合材料研究存在的问题和未来的研究方向进行了讨论。 关键词：石墨烯；高分子；纳米复合材料；研究进展 引言 石墨烯是以ｓｐ２ 杂化连接的碳原子层构成的二维材料， 其厚度仅为一个碳原子层的厚度。这种“只有一层碳原子厚的碳薄片”，被公认为目前世界上已知的最薄、最坚硬、最有韧性的新型材料。石墨烯具 有超高的强度，碳原子间的强大作用力使其成为目前已知力学强度最高的材料。石墨烯比钻石还坚硬， 强度比世界上最好的钢铁还高１００倍［１］ 。石墨烯还具有特殊的电光热特性， 包括室温下高速的电子迁移率、 半整数量子霍尔效应、自旋轨道交互作用、高理论比表面积、高热导率和高模量、高强度，被认为在单分子探测器、集成电路、场效应晶体管等量子器件、功能性复合材料、储能材料、催化剂载体等方面有广泛 的应用前景［ ２］ 。石墨烯是一种疏松物质，在高分子基体中易团聚，而且石墨烯本身不亲油、不亲水，在一定程度上也限制了石墨烯与高分子化合物的复合，尤其是纳米复合。因而，很多学者对石墨烯的改性进行了大量的研究，以提高石墨烯和高分子基体的亲和性，从而得到优异的复合效应。 １ 石墨烯的改性方法 １．１ 化学改性石墨烯 该方法基于改性Ｈｕｍｍｅｒｓ法［３］ 。首先，由天然石墨制得石墨氧化物， 再通过几种化学方法获得可溶性石墨烯。其化学方法包括：氧化石墨在稳定介质中的还原［４］、通过羧基酰胺化的共价改性［５］ 、还原氧化石墨烯的非共价功能化［ ６］、环氧基的亲核取代［７］、重氮基盐的耦合［８］ 等。此外，还出现了对石墨烯的氨基化［９］、酯化［１０］、异氰酸酯［１１］ 改性等。用化学功能化的方法对石墨烯进行改性，不仅可以提高其溶解性 和加工性能，还可以增强有机高分子间的相互作用。１．２ 电化学改性石墨烯 利用离子液体对石墨烯进行电化学改性已见报道［１２］ 。用电化学的方法，使石墨变成用化学改性石 墨烯的胶体悬浮体。石墨棒作为阴极，浸于水和咪唑离子液的相分离混合物中。以１０～２０Ｖ的恒定电 · ７８· 第９期 高 分 子 通 报
石墨烯纳米材料及其应用
石墨烯纳米材料及其应用
石 墨 烯 纳 米 材 料 及 其 应 用 二〇一七年十二月
目录 摘要 (4) 1引言 (4) 2石墨烯纳米材料介绍 (4) 3石墨烯纳米材料吸附污染物 (6) 3.1金属离子吸附 (6) 3.2有机化合物的吸附 (7) 4石墨烯在膜及脱盐技术上的应用 (9) 4.1石墨烯基膜 (9) 4.2采用石墨烯材料进行膜改进 (10) 4.3石墨烯基膜在脱盐技术的应用 (11) 5展望 (12)
摘要 石墨烯因为其独特的物理化学方面的性质，特别是其拥有较高的比表面积、较高的电导率、较好的机械强度和导热性，使其作为一种新颖的纳米材料赢得了越来越广泛的关注。 关键词：石墨烯；碳材料；环境问题；纳米材料 1引言 随着世界人口的增长，农业和工业生产出现大规模化的趋势。空气，土壤和水生生态系统受到严重的污染；全球气候变暖等环境问题正在成为政治和科学关注的重点。目前全球已经开始了解人类活动对环境的影响，并开发新技术来减轻相关的健康和环境影响。在这些新技术中，纳米技术的发展已经引起了广泛的关注。 纳米材料由于其在纳米级尺寸而具有独特的性质，可用于设计新技术或提高现有工艺的性能。纳米材料在水处理，能源生产和传感方面已经有了诸多应用，越来越多的文献描述了如何使用新型纳米材料来应对重大的环境挑战。 石墨烯引起了诸多研究人员的关注。石墨烯是以sp2杂化连接的碳原子层构成的二维材料，其厚度仅为一个碳原子层的厚度。这种“只有一层碳原子厚的碳薄片”，被公认为目前世界上已知的最薄、最坚硬、最有韧性的新型材料。石墨烯具有超高的强度，碳原子间的强大作用力使其成为目前已知力学强度最高的材料。石墨烯还具有特殊的电光热特性，包括室温下高速的电子迁移率、半整数量子霍尔效应、自旋轨道交互作用、高理论比表面积、高热导率和高模量、高强度，被认为在单分子探测器、集成电路、场效应晶体管等量子器件、功能性复合材料、储能材料、催化剂载体等方面有广泛的应用前景。在环境领域，石墨烯已被应用于新型吸附剂或光催化材料，其作为下一代水处理膜的构件，常用作污染物监测。2石墨烯纳米材料介绍 单层石墨烯属于单原子层紧密堆积的二维晶体结构（Fig.1）。在石墨烯平面内，碳原子以六元环形式周期性排列，每个碳原子通过σ键与临近的三个碳原子
石墨烯和纳米碳材料的导热性能的研究
石墨烯和纳米碳材料的导热性能的研究 Alexander A. Balandin 近年来，在科学领域和工程领域，人们越来越多地去关注导热性能好的材料。散热技术已经成为电子工业持续发展的一个重要的话题，低维结构的材料在热传导方面显示出了优异的性能。就导热能力而言，碳的同素异构体及其衍生品占据了举足轻重的地位。在室温下的碳材料的导热系数跨越了一个非常大的围——超过了五个数量级——从导热系数最低的无定型碳到导热系数最高的石墨烯和碳纳米管。在这里，我回顾一下以石墨烯碳材料为热点的最近热性能的研究成果，碳纳米管和纳米级的碳材料在研究方面遇到了不同程度的难题。在二维晶体材料方面，尤其是石墨烯，人们非常关注尺寸对热传导的影响。我也描述了石墨烯和碳材料在电子传热机理上的应用前景。 实际生产应用和基础科学的发展表明了材料热性能研究的重要性。由于功耗散热水平的提高，导热技术已经成为电子工业持续发展的一个非常重要的热点。对导热性能非常好的材料的研究严重影响着下一代集成电路和3D电子产品的设计进程。在光电子和光子设备领域我们也遇到了类似的需要导热处理的问题。另外，电热能量转换技术需要材料具有很强的抑制热扩散的能力。 材料的导热能力由其电子结构决定，所以一种材料热性能原理可以描述另外一种材料的热性能现象。材料热性能的变化只是在纳米尺度上变化。由于声子散射边界的增多或者声子色散的变化，纳米管和大多数晶体将不再传热。同时，对二维和一维晶体的热传导理论的研究解释了材料在优异的热传导性能的原因。二维晶体导热性能的差异意味着不像非晶体那样，它恢复材料的热平衡不能仅仅靠晶体的非简谐振动，因为这不但需要限制系统的尺寸，而且还需要掺杂进非晶体结构，这样才能符合热传导性能的物理意义。这些发现引发了在低维系统中对傅里叶定律的实用性的非议。 碳材料具有非常多的同素异构体，在热性能方面占据了举足轻重的低位（如图， 1a）。碳材料不同的同素异构体的热传导率跨越了很大的一个围——五个数量级——非晶碳的热导率为0.01W. mK?1，在室温条件下金刚石或者石墨烯的热导率为大约2000W.
butyl(丁基橡胶)-石墨烯纳米复合材料
Study on Modi?ed Graphene/Butyl Rubber Nanocomposites.I.Preparation and Characterization Huiqin Lian,1,2,3Shuxin Li,1Kelong Liu,1Liangrui Xu,1Kuisheng Wang,2Wenli Guo1 1Department of Materials Science and Engineering,Beijing Institute of Petrochemical Technology, Beijing,China 2Department of Materials Science and Engineering,Beijing University of Chemical Technology,Beijing,China 3Department of Chemical Engineering,Yanbian University,Beijing,China Butyl rubber,IIR nanocomposites based on modi?ed graphene sheets,were fabricated by solution process-ing followed by compression molding.MG was pre-pared from natural graphite,NG through graphite oxide route.X-ray diffraction showed that the exfoliated MG was homogeneously dispersed in the IIR matrix with doping levels of1-10wt%as evidenced by the lack of the characteristic graphite re?ection in the compo-sites.In contrast,the graphite retained its stacking order and showed the sharp characteristic peak in the NG-IIR composites.Scanning electron microscope images of the fracture surfaces of the IIR matrix showed that MG nano?llers exhibited better compati-bility than NG did.The mechanical properties of the MG-IIR nanocomposites were signi?cantly improved due to the ef?cient distribution of the large surface area MG sheet.The tensile modulus of nanocomposite with doping level of MG10wt%was16times that of the pure IIR.POLYM.ENG.SCI.,00:000–000,2011.a2011 Society of Plastics Engineers INTRODUCTION Commercial butyl rubber(IIR)is a copolymer of isobu-tylene and a small amount of isoprene.It is employed in the inner linings of automobile tires and in other specialty application due to its characteristics of chemical inertness, impermeability to gases and weatherability.However, unsaturated bonds in IIR,due to the presence of isoprene monomer units in the backbone,can be attacked by atmos-pheric ozone leading to oxidative degradation and chain cleavage.Also in some?elds,such as aerospace,aircraft and high-vacuum systems,IIR does not meet the extremely high-gas barrier as well as the high mechanical properties requirements.Therefore,there exists a continuous interest in lowering gas permeability and improving the mechanical properties of IIR by various techniques[1,2]. It is well known that polymeric nanocomposites are of great interest for both scienti?c challenges and industrial applications due to their enhanced mechanical properties and unique material properties[3–5].Compared with con-ventional systems,nanomaterials are more effective rein-forcements because the stress transfer from the matrix to the reinforcement is more ef?cient in nanocomposites due to the increased surface area,assuming good adhesion at the interface.Also,the crack propagation length at the interface becomes longer,improving the strength and toughness.In addition to improving the mechanical prop-erty,nano?llers,such as layered silicate or carbon nanotubes,can provide dramatic improvement in thermal stability,dimensional stability,heat-distortion tempera-ture,and barrier property[6–11].Recently,graphite oxide (GO)has attracted increasing interest as a?ller for poly-mer nanocomposites due to its high dispersive capacity, long coherence length and the barrier property[12,13]. GO with a typical pseudo-two-dimensional structure gen-erally contains hydroxyl,carboxyl and ether groups, which causes GO to absorb polar molecules easily and thus GO/polymer composites can be formed.Such struc-tural nanocomposites can provide reinforcement to the base polymer matrix.Also,GO may also have other desirable properties,such as mass diffusion coef?cients, coef?cients of thermal expansion,dielectric constants, thermal/chemical stability,solvent resistance,selectivity, conductivity,and resistivity to membrane fouling and poisoning.However,as a reinforcement of IIR,the hydro-philic surface of GO makes it dif?cult to disperse in the hydrophobic IIR matrix.Therefore,it is an important Correspondence to:Wenli Guo;e-mail:wlguo2008@https://www.wendangku.net/doc/c94080395.html, Contract grant sponsor:Natural Science Foundation of China(NSFC); contract grant number:51063009;contract grant sponsor:Beijing Natural Science Foundation of China;contract grant number: KZ200910017001. DOI10.1002/pen.21997 Published online in Wiley Online Library(https://www.wendangku.net/doc/c94080395.html,). V C2011Society of Plastics Engineers POLYMER ENGINEERING AND SCIENCE—-2011 Administrator
石墨烯纳米材料及其应用
石 墨 烯 纳 米 材 料 及 其 应 用 二〇一七年十二月
目录 摘要 (3) 1引言 (3) 2石墨烯纳米材料介绍 (3) 3石墨烯纳米材料吸附污染物 (5) 3.1金属离子吸附 (5) 3.2有机化合物的吸附 (6) 4石墨烯在膜及脱盐技术上的应用 (8) 4.1石墨烯基膜 (8) 4.2采用石墨烯材料进行膜改进 (9) 4.3石墨烯基膜在脱盐技术的应用 (10) 5展望 (11)
摘要 石墨烯因为其独特的物理化学方面的性质，特别是其拥有较高的比表面积、较高的电导率、较好的机械强度和导热性，使其作为一种新颖的纳米材料赢得了越来越广泛的关注。 关键词：石墨烯；碳材料；环境问题；纳米材料 1引言 随着世界人口的增长，农业和工业生产出现大规模化的趋势。空气，土壤和水生生态系统受到严重的污染；全球气候变暖等环境问题正在成为政治和科学关注的重点。目前全球已经开始了解人类活动对环境的影响，并开发新技术来减轻相关的健康和环境影响。在这些新技术中，纳米技术的发展已经引起了广泛的关注。 纳米材料由于其在纳米级尺寸而具有独特的性质，可用于设计新技术或提高现有工艺的性能。纳米材料在水处理，能源生产和传感方面已经有了诸多应用，越来越多的文献描述了如何使用新型纳米材料来应对重大的环境挑战。 石墨烯引起了诸多研究人员的关注。石墨烯是以sp2杂化连接的碳原子层构成的二维材料，其厚度仅为一个碳原子层的厚度。这种“只有一层碳原子厚的碳薄片”，被公认为目前世界上已知的最薄、最坚硬、最有韧性的新型材料。石墨烯具有超高的强度，碳原子间的强大作用力使其成为目前已知力学强度最高的材料。石墨烯还具有特殊的电光热特性，包括室温下高速的电子迁移率、半整数量子霍尔效应、自旋轨道交互作用、高理论比表面积、高热导率和高模量、高强度，被认为在单分子探测器、集成电路、场效应晶体管等量子器件、功能性复合材料、储能材料、催化剂载体等方面有广泛的应用前景。在环境领域，石墨烯已被应用于新型吸附剂或光催化材料，其作为下一代水处理膜的构件，常用作污染物监测。2石墨烯纳米材料介绍 单层石墨烯属于单原子层紧密堆积的二维晶体结构（Fig.1）。在石墨烯平面内，碳原子以六元环形式周期性排列，每个碳原子通过σ键与临近的三个碳原子
石墨烯复合材料的研究及其应用
石墨烯复合材料的研究及其应用 任成，王小军，李永祥，王建龙，曹端林 摘要：石墨烯因其独特的结构和性能，成为物理化学和材料学界的研究热点。本文综述了石墨烯复合材料的结构和分类，主要包括石墨烯-纳米粒子复合材料、石墨烯-聚合物复合材料和石墨烯-碳基材料复合材料。并简述石墨烯复合材料在催化领域、电化学领域、生物医药领域和含能材料领域的应用。 关键词：石墨烯；复合材料；纳米粒子；含能材料 Research and Application of Graphene composites ABSTRACT: Graphene has recently attracted much interest in physics,chemistry and material field due to its unique structure and properties. This paper reviews the structure and classification of graphene composites, mainly inclouding graphene-nanoparticles composites, graphene-polymer composites and graphene-carbonmaterials composites. And resume the application of graphene composites in the field of catalysis, electrochemistry, biological medicine and energetic materials. Keywords: graphene; composites; nanoparticles; energetic materials 石墨烯自2004年曼彻斯特大学Geim[1-3]等成功制备出以来，因其独特的结构和性能，颇受物理化学和材料学界的重视。石墨烯是一种由碳原子紧密堆积构成的二维晶体，是包括富勒烯、碳纳米管、石墨在内的碳的同素异形体的基本组成单元。石墨烯的制备方法主要有机械剥离法，晶体外延法，化学气相沉积法，插层剥离法以及采用氧化石墨烯的高温脱氧和化学还原法等[4-10]。与碳纳米管类似，石墨烯很难作为单一原料生产某种产品，而主要是利用其突出特性与其它材料体系进行复合．从而获得具有优异性能的新型复合材料。而氧化石墨烯由于其特殊的性质和结构，使其成为制备石墨烯和石墨烯复合材料的理想前驱体。本文综述了石墨烯复合材料的结构、分类及其在催化领域、电化学领域、生物医药领域和含能材料领域的应用。
类石墨烯二维材料的研究进展-李江军-分子纳米结构与纳米技术
类石墨烯二维材料的研究进展 报告人李江军 李江军:1988年3月出生于四川省，2011年7月西北大学本科毕业，2011年至今在中科院化学所分子纳米结构与纳米技术实验室研究生学习。 摘要内容(Introduction): 石墨烯是由单层碳原子所构成的二维蜂窝状结构的材料，是构成其它碳材料的基本结构基元，如三维石墨，一维碳纳米管及零维富勒烯。从石墨烯最初的机械剥离到其优异的电学性能的发现，都引起了学术界浓厚兴趣。根据报道，石墨烯还具有其它优异的性能，比如说2.3%的光谱吸收率，高的比表面积，高杨氏模量和优异的热电导性质。目前，石墨烯在高速电子和光学器件，能源制造和存储，杂化材料，化学传感器及DNA序列测定中都已经得到了广泛的应用。然而，由于单层石墨烯不具有带隙，原始的石墨烯在室温下不能用于构筑低储用功率损耗的逻辑电路，导致石墨烯场效应晶体管中的的电流开关比很小。石墨烯在这一类中的应用前提是能够大量可控地生长石墨烯，因为石墨烯的层数和缺陷极大地影响了其传输性能。机械剥离、溶液剥离，氧化石墨烯的还原，CVD法，表面偏析和分子束外延生长都为石墨烯的生长提供了渠道，但是精确控制石墨烯的层数和结构仍然具有一定的困难，因此石墨烯的生长工艺仍在研究中。除此之外，
石墨烯的另一个重要挑战是其在光电应用中的硅基技术中的集成问题。 由于发现石墨烯独特的性质，二维材料如金属硫簇化合物，过渡金属氧化物及其它二维化合物等引起了学术界浓厚的兴趣。其中，过渡金属二硫属化物具有三明治结构，中间的夹心层由金属原子（Mo,W,Nb,Re,Ni,V等）以六边形构成，上下两层由硫簇原子（通常是S,Se和Te）,形成了大约40种不同的材料。除此之外还有层状过渡金属氧化物如MoO3,La2CuO4，绝缘体六角状氮化硼（h-BN）,拓扑绝缘体如Bi2Te3,Sb2Se3和Bi2Se3，其共同特点是可以进一步堆积成三维结构。单层以内是依靠共价键连接的，而多层结构层间依靠的是范德华力来连接的。这些材料覆盖的范围很广，从绝缘体到金属，显示了特殊的性质，例如拓扑绝缘效应，超导性，热电性等。尤其是碳簇的类石墨烯二维材料硅和锗，已经从理论和实验方面取得了一定进展，表现出了与石墨烯相类似的性质。 由于二维材料具有独特的性质和高的比表面积，因此在光电，自旋电子学，催化，化学和生物传感，超级电容器，太阳能电池，锂离子电池中具有重要的应用。研究表明将石墨烯建立在h-BN单层上（机械剥离），并以薄层h-BN作为顶部介电层构筑场效应晶体管，获得了与悬浮石墨烯相当的迁移率，该现象归因于h-BN的超平和纯净的表面。与无带隙的单层石墨烯和具有一定带隙的双层石墨烯及复杂处理后的石墨烯纳米带相比，单层MoS2为直接带隙半导体材料，在数字电路和发光二极管中具有潜在应用价值。例如，单层MoS2场效应
二维纳米材料综述
图1 几种二维纳米材料的示意图 Fig.1 Structures of several 2-D materials 基于液相体系的超声剥离制备二维纳米材料 xxxx （xxxxxxxxxxxxxxxxxxxx ） 摘要：二维纳米材料因其在光学、电化学、催化等领域表现出的巨大应用潜能已成为纳米材料领域研究的热点。简述了基于液相体系超声剥离制备二维纳米材料的方法及其主要的研究方向和成果，主要包括基于液相体系中剥离原理提出的溶剂的选取方法；综合考虑环保、规模化生产以及材料应用提出的液相体系的改进；为提高单层率、片层尺寸以及剥离产率而提出的超声剥离预处理的方法。 关键词：液相体系；超声；剥离；插层 引言 自2004年石墨烯的发现以来,二维纳米材料(two-dimensional nanomaterials )以其独特的性质得到广泛的关注,相关制备和应用的研究近年来也呈现井喷式的上升趋势。如今已发现的层状二维纳米材料主要有以下几类。a) 以石墨烯和h-BN 为代表的六元环蜂窝状的二维纳米单原子层晶体；b)以过渡金属硫属化合物(MoS 2、WS 2)和金属卤化(PbI 、MoCl )为代表的三原子层晶体，其中金属原子层被夹在相邻的卤原子与硫原子层之间。c)金属氧化物（MnO 2、WoO 3）以及双金属氢氧物（Mg 6Al 2(OH)16）[1]。同时一 些其他二维层状材料也被相继报道，例如过渡金属碳/氮化合物(MXenes )，黑磷（Phosphorene ）以及于2015年Science 上发 表的合成硼烯（Borophene ）等。 这些材料的优异性能使其在能源储存、吸附、催化、光电等方面展现出巨大应用潜能。以石墨烯为例，单层石墨烯拥有高体征迁移率、大比表面积、优异的力学强度、高透光性。它可以被制成触摸显示屏、发光二极管，更为重要的是通过打开石墨烯的带隙其可被制成场效应晶体管。在光电子领域， 石墨烯可以被应用于光电探测器和光学调
类石墨烯材料——化学前沿
类石墨烯材料——化学前沿 类石墨烯材料的定义： 类石墨烯材料是对具有二维单层或者少层结构的材料的统称。 类石墨烯材料的种类： 1. 层状范德华固体材料 该类材料是由单原子层或多面体层堆垛形成的固体，其层内原子间或多面体间通过共价键或者离子键相互连接，层间通过范德华力连接。正是由于层间具有的微弱的范德华力，层状范德华固体才可以被剥离成少层甚至是单层的结构，成为二维层状类石墨烯材料中的一员。层状范德华固体还可以被细分为六方氮化硼、层状金属硫族化合物、过渡金属氧化物、氧化钒衍生物、第四主族钙化物CaGe?，CaSi?， Ti?A1C?和ReN?等。在这些材料中，金属硫族化合物是较早起步也是被广泛研究的一类层状范德华力固体，包括MX?(M= Ti, Mo, W, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Re, Sn; X=S, Se. Te)型、M?X? (M=Bi, Sb; X=Se, Te)型和MX(M=Fe, Ni, Sn, Ge; X=S, Se)型等。 2. 层状离子固体材料 ·石墨烯·分子筛·碳纳米管·黑磷·类石墨烯·纳米材料 江苏先丰纳米材料科技有限公司是国际上提供石墨烯产品很早的公司之一，现专注于石墨烯、
这类材料是由带电的多面体层，层间通过带电的阴离子或阳离子紧密连接堆垛而成的固体材料。这类材料形成二维结构的关键是将层间的带电阴阳离子用大的有机阴阳离子替换掉。主要分为：钙钦矿型阳离子交换层状氧化物、阴离子交换层状氧化物以及金属氢氧化物的卤化物或氢氧根交换的层状材料等。 3. 第IV主族类石墨烯材料 在现有的第四主族元素中，Si和Ge被证明可以具有稳定的二维结构，因此成为类石墨烯材料中的一类。 4. IV主族元素化合物 如SiC. GeC, SnC, SnSi, SnGe, SiGe等 5. III-V主族化合物 如MX (M=Al, Ga, In; X=P, As, Sb)等 MoS?二维薄膜作为光催化材料的优点： 1. MoS?是一种禁带宽度可调控的半导体材料，能吸收可见光频率的光子，提高可见光的利用效率; ·石墨烯·分子筛·碳纳米管·黑磷·类石墨烯·纳米材料 江苏先丰纳米材料科技有限公司是国际上提供石墨烯产品很早的公司之一，现专注于石墨烯、
石墨烯及其纳米复合材料发展.
河北工业大学 材料科学与工程学院 石墨烯及其纳米复合材料发展概况 专业金属材料 班级材料116 学号111899 姓名李浩槊 2015年01月05日
摘要 自从2004年，英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫，成功地在实验中从石墨中分离出石墨烯，石墨烯因其优异的力学、电学和热学性能已经成为备受瞩目的研究热点。 石墨烯的碳原子排列与石墨的单原子层雷同，是碳原子以sp2混成轨域呈蜂巢晶格(honeycomb crystal lattice)排列构成的单层二维晶体。石墨烯可想像为由碳原子和其共价键所形成的原子尺寸网。石墨烯是世上最薄也是最坚硬的纳米材料，它几乎是完全透明的，只吸收2.3%的光；导热系数高达5300 W/（m·K），高于碳纳米管和金刚石，常温下其电子迁移率超过15000 cm2 /（V·s），又比纳米碳管或硅晶体高，而电阻率只约10-6Ω·cm，比铜或银更低，为世上电阻率最小的材料。因为它的电阻率极低，电子跑的速度极快，因此被期待可用来发展出更薄、导电速度更快的新一代电子元件或晶体管。由于石墨烯实质上是一种透明、良好的导体，也适合用来制造透明触控屏幕、光板，甚至是太阳能电池。 石墨烯的结构非常稳定，石墨烯内部的碳原子之间的连接很柔韧，当施加外力于石墨烯时，碳原子面会弯曲变形，使得碳原子不必重新排列来适应外力，从而保持结构稳定。这种稳定的晶格结构使石墨烯具有优秀的导热性。 但是，因为石墨烯片层之间存在很强的范德华力，导致其很容易堆积团聚，在一般溶剂中的分散性很差，所以其应用领域受到了限制。本文通过收集、查阅多篇有关石墨烯研究的论文，分析、整理了石墨烯及其纳米复合材料的制备技术发展及其应用的相关知识、理论。 关键词：石墨烯纳米材料制备复合材料
类石墨烯材料的发展
类石墨烯材料的发展 类石墨烯材料是一种全新的材料，它的出现为制备大面积和高质量的纳米器件带来了希望。这种独特的二维结构能够将微观下优异的电学、磁学和光学性能与宏观下的超薄性、透明性和柔韧性有机地结合在一起，从而能够实现器件的微型化和功能。虽然无机类石墨烯材料能够带来一系列革新的性能和广泛的应用，但是其大量合成、低维结构的表征和清晰的结构-性能关系的建立却遇到了困难，而且器件的制作工艺对性能的影响也很大。 本工作综述了本课题组近三年在无机类石墨烯材料领域的工作进展，包括类石墨烯结构及其与石墨烯插层复合结构的可控、宏量制备方法，及其精细结构和缺陷结构的表征;温和条件下的有序组装机理及技术，以及柔性超薄器件的性能表征与应用。我们还详细研究了这些材料超薄的厚度、表面晶格扭曲和特殊的缺陷结构所赋予的特殊电子结构及其在光电解水、热电转换和催化活性位点研究方面带来的新机遇。 ·石墨烯·分子筛·碳纳米管·黑磷·类石墨烯·纳米材料 江苏先丰纳米材料科技有限公司是国际上提供石墨烯产品很早的公司之一，现专注于石墨烯、
自2004年有科学家成功制备石墨烯(即单原子层碳)以来，该材料的物理内涵和优异性质引发外界对基础和应用研究的热潮。今年中国研制的全球量产石墨烯手机，不仅画面高清，电池寿命也更长;而军事强国近年来也纷纷用石墨烯代替凯夫拉、芳纶等材质，着手打造新型铠甲防护装具;中国科学家则在石墨烯电子皮肤研究上取得了进展。不久前，中国科学家突破石墨烯工业化生产难题，制备单层石墨烯仅需一小时。但因石墨烯的电子结构中不具备能隙，限制了其在光电器件方面的应用。 不过，新型的有直接带隙的类石墨烯材料“单原子层过渡金属硫化物”(如MoS2, WSe2等)以其独特的光电性质受到关注。只是此前国际上关于单原子层二维材料的研究集中于经典光学领域，尚未在实验上观察到光子反聚束等量子光学现象。 中国科学技术大学潘建伟、陆朝阳等与华盛顿大学许晓栋、香港大学姚望合作研究发现，二硒化钨(WSe2)二维单原子层中的原子缺陷能够束缚激子，成为非经典的单光子发射器，“和其他的单光子系统相比，这种基于单原子层的单光子器件不仅利于光子的读取和控制，还可方便地制备和实现与其他的光电器件平台结合”。 ·石墨烯·分子筛·碳纳米管·黑磷·类石墨烯·纳米材料 江苏先丰纳米材料科技有限公司是国际上提供石墨烯产品很早的公司之一，现专注于石墨烯、