石墨烯风暴背后，真实的石墨烯是什么样的？

　　石墨烯，最近充斥着整个网络、材料界及相关应用行业。小编手贱，百度了一下关键词石墨烯，新闻结果达到13万以上，页面结果172万以上，微信搜索结果在1.3万以上。这引起了小编的好奇，石墨烯是什么？为何有如此青睐？无聊的小编搜集整理些内容，分享出来供科普学习！

　　1石墨烯的发现

　　石墨烯并非最近产物，关于石墨烯存在的可能性，科学界一直有争论。早在1934年，Peierls就提出准二维晶体材料由于其本身的热力学不稳定性，在室温环境下会迅速分解或拆解。1966年，Mermin和Wagner提出Mermin-Wagner理论，指出长的波长起伏也会使长程有序的二维晶体受到破坏。从而科学界认为石墨烯无法稳定存在。因此二维晶体石墨烯只是作为研究碳质材料的理论模型，一直未受到广泛关注。总有人不相信这一点，2004年来自曼彻斯特大学的AndreGeim和KonstantinNovoselov首次成功分离出稳定的石墨烯，而他们分离的方法也极为简单，他们把石墨薄片粘在胶带上，把有粘性的一面对折，再把胶带撕开,这样石墨薄片就被一分为二。通过不断地重复这个过程，片状石墨越来越薄，最终就可以得到一定数量的石墨烯。他们研究发现了石墨烯独特的电子学特征，打破了物理界一直认为的二维晶体材料不能稳定存在的理论，自此激起科学界对石墨烯的研究热潮。

　　2石墨烯的结构及性能

　　1、石墨烯的结构

　　理想的石墨烯结构是平面六边形点阵，可以看作是一层被剥离的石墨分子，每个碳原子均为sp2杂化，并贡献剩余一个p轨道上的电子形成大π键，π电子可以自由移动，赋予石墨烯良好的导电性。

　　二维石墨烯结构可以看是形成所有sp2杂化碳质材料的基本组成单元(图)。当石墨烯晶格中有五元环晶格存在时，石墨烯片层产生翅曲，有12个以上五元环晶格存在时会形成零维的富勒烯；当石墨烯以其面上的一点为周卷曲一圈时，就会卷成无缝的一维碳纳米管；当石墨烯六角网面之间通过π电子相互作用就会堆垛成三维的石墨。实际中的石墨烯并不能有如此完美的晶形。

　　J.C.Meyer等人对观察提出理论模型：石墨烯并不是绝对的平面，而是存在一定的小山丘似的起伏。随后，Meyer等人又研究了单层石墨烯和双层石墨烯表面的褶皱，发现单层石墨烯表面褶皱程度明显大于双层石墨烯，褶皱程度随着石墨烯层数而减小。Meyer等推测这是因为单层石墨烯为降低其表面能，由二维向三维形貌转换，褶皱是二维石墨烯存在的必要条件。

　　2、石墨烯的性能

　　（1）力学性能

　　在2009年，石墨烯是人类已知测量过的强度最高的物质。它的强度比质量最好的钢铁还要高200倍。这就好比，需要让一头大象站在一支铅笔上，才能穿破一张保鲜膜厚度的石墨烯薄层。如果物理学家们能制取出厚度相当于普通食品塑料包装袋的（厚度约100纳米）石墨烯，那么需要施加差不多两万牛的压力才能将其扯断。换句话说，如果用石墨烯制成包装袋，那么它将能承受大约两吨重的物品。科学研究已经证实，石墨烯的硬度要好于金刚石，也是已知的硬度最高的物质。石墨烯是已知材料中最薄的一种，只有一个碳原子厚度的二维材料。同时石墨烯的结构十分稳定，各碳原子之间的连接非常柔韧，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。

　　（2）光学性能

　　根据理论推导，悬浮中的石墨烯会吸收2.3%的白光，实验证实这结果正确无误。普通采光玻璃的透光率平均来说略高于80%，石墨烯薄膜透过率则可达97%以上。

　　（3）热学性能

　　下是几种常见金属的热传导系数表：银429W/mK、铜401W/mK、金317W/mK、铝237W/mK、铁80W/mK、锡67W/mK、铅34.8W/mK；普通碳纳米管的导热系数可达3500W/mK，石墨烯的导热性能优于碳纳米管。单层石墨烯的导热系数可达5300W/mK。优异的导热性能使得石墨烯有望作为未来超大规模纳米集成电路的散热材料。

　　（4）电学性能

　　石墨烯最大的特性是其中电子的运动速度达到了1000m/s，约为光速的1/300，远远超过了电子在一般导体中的运动速度。石墨烯具有100倍于硅的超高载流子迁移率，这使得石墨烯中的电子，或更准确地，应称为“载荷子”(electricchargecarrier)，的性质和相对论性的中微子非常相似。因此，石墨烯可能是制造量子计算机所需要的任意子元件的合适材料。

　　（5）化学性能

　　类似石墨表面，石墨烯可以吸附和脱附各种原子和分子。从表面化学的角度来看，石墨烯的性质类似于石墨，可利用石墨来推测石墨烯的性质。它的比表面积很大，高达2600m2/g的比表面积。具备了储能以及吸附的前提条件。

　　3石墨烯的制备

　　1.微机械分离法

　　Novoselov即是采用这种办法来制备石墨烯，是通过机械力从石墨晶体的表面剥离出石墨烯片层，这种方法产生的石墨烯晶体结构较为完整，缺陷较少，可用于实验。但是此方法存在弱点，无法控制单层石墨烯的尺寸大小，所以无法应用于实践。

　　2.氧化石墨还原法

　　与石墨相比，氧化石墨由于拥有大量的羟基、羧基等基团，亲水性较好。氧化石墨经过适当的超声波震荡处理，极易在水溶液或者有机溶剂中分散成均匀的单层氧化石墨悬浊液。将氧化石墨与水以1mg/mL的比例混合，用超声波震荡至溶液清晰无颗粒状物质，加入适量肼在100℃回流24h，会产生悬浮的石墨烯片，这些石墨烯片可以沉淀在可弯曲的衬底顶部。这种方法可以大量生产石墨烯，但是被氧化的石墨难以被完全还原，会导致石墨烯某些性质（如导电性）的不足。

　　3.加热SiC法

　　通过加热单晶6H-SiC脱除Si，从而得到在SiC表面外延的石墨烯。将表面经过氧化或H2蚀刻后的SiC在高真空下通过电子轰击加热到1000℃以除掉表面的氧化物，升温至1250℃～1450℃，恒温1～20min，形成石墨烯薄片，其厚度由加热温度决定。这种方法得到的石墨烯有两种，物理性质受SiC衬底的影响很大，一种是生长在Si层上的石墨烯，由于和Si层接触，这种石墨烯的导电性受到较大影响，而生长在C层上的石墨烯则有着极为优良的导电能力。但这种方法制造的石墨烯难以被从SiC衬底上分离出来，不能成为大量制造石墨烯的方法。

　　4.化学气相沉积法

　　化学气相沉积法是半导体工业中最为常用的沉积技术。其原理是将一种或多种气态物质导入到一个反应腔里进行化学反应，生成一种新的物质沉积在衬底表面。中科院化学研究所发明了一种方法。将带有催化剂的衬底放入无氧反应器中，使衬底温度达到500～1200℃，向所属反应容器充入含碳物质，得到石墨烯。催化剂为金属或金属化合物。可为金、银、铜、锌、铁、钴、镍、硫化锌、氧化锌、硝酸铁、氯化铁、氯化铜中的一种或任意组合。含碳物质可为一氧化碳、甲烷、乙炔、乙醇、苯、甲苯、环己烷或酞菁中的一种或任意组合。

　　韩国成均馆大学的洪秉熙领导的一个研究组生产出了高纯度石墨烯薄膜，把它们贴在透明可弯曲的聚合物上，制成一个透明电极。这种电极可以取代显示器上现在所使用的透明电极，价格却比现在通常用的氧化铟便宜的多。首先，他们在硅衬底上添加一层300纳米厚的镍。然后，他们在1000摄氏度的甲烷中加热这一物质，再将它迅速降至室内温度。这一过程能够在镍层的上部沉积出6或10层石墨烯。用制作镍层图形的方式，制备出图形化的石墨烯薄膜。

　　Srivastava等采用微波增强化学气相沉积法，在Ni包裹的Si衬底上生长出了20nm左右厚度的花瓣状的石墨片，也有一些其他的科学家利用类似方法制造出了石墨烯。

　　化学气相沉积法是应用最广泛的一种大规模工业化制备半导体薄膜材料的方法。由于有着广泛应用范围，而且，生产工艺十分完善，因此，它被认为是最有前途的大规模制备石墨烯片的方法。但目前使用该方法制备石墨烯片仍有一些不足之处亟待解决。例如，研究表明，目前使用这种方法得到的石墨烯片在某些性能上(如输运性能)可以与机械剥离法制备的石墨烯相比，但后者所具有的另一些属性(如量子霍尔效应)并没有在化学气相沉积法制备的石墨烯中观测到。同时，化学气相沉积法制备的石墨烯的电子性质受衬底的影响很大，这也是有待解决的一个问题。

　　从这些制造方法中可以看出，石墨烯的制造工艺正日渐成熟，化学气相沉积法已经能制出面积达若干平方厘米的样品，使得石墨烯的未来更加光明。

　　4石墨烯类材料的应用

　　1、在生物材料中的应用

　　石墨烯类材料在生物领域有着多方面的应用，其中氧化石墨烯可以制成纳米抗菌材料，抗菌性源于其对大肠杆菌细胞膜的破坏。由于其具有丰富的材料来源，这种新型的晶体材料有望在环境检测和临床医学领域得到广泛应用。

　　2010年3月，国家纳米科学中心方英课题组和美国哈佛大学Lieber课题组合作首次成功制备石墨烯与动物心肌细胞的人造突触的相关研究结果，此次合作建立了一维、二维纳米材料与细胞相结合的独特研究体系，将为生物电子学的研究带来新的机遇。由于石墨烯还具有毒性低、比表面积大等优异性能，在药物载体方面蕴含着潜在的应用价值。Hu等采用一步合成法制备了普郎尼克PF127/石

　　墨烯复合物，可以有效负载阿霉素，负载率可达到289%，并且在生理溶液中具有很高的稳定性和分散性。

　　此外，研究人员还制备了壳聚糖-石墨烯复合物固载葡萄糖氧化酶（GOD）生物传感器，GOD具有快速电子转移性质，灵敏度为37.93mA?L/(mmol?cm2)，其线性检测范围为0.08～12mmol/L，因此对葡萄糖的检测呈现出优异性能。使用PEG包裹荧光标签的纳米石墨烯片（nanographenesheets，NGS）在活体内异种皮肤肿

　　瘤移植荧光成像中表现出了高肿瘤摄取率，这表明石墨烯在肿瘤治疗方面具有很大的潜力。石墨烯作为载体的复合物在模拟天然酶方面也具有很大的应用，利用简单方法制备出的氧化石墨烯-Fe3O4磁性纳米复合物具有天然酶所不能及的高活性、广泛的温度和pH值依赖性，石墨烯更以其共轭平面结构对底物分子的富集以及与底物之间的快速电荷转移，对模拟酶活性的提高起到很大的辅助作用。

　　2、在薄膜材料中的应用

　　石墨烯作为一种新型的二维纳米材料，具有优异的透光率和导电性。与传统的铟锡氧化物（ITO）相比，石墨烯具有更高的导电性、较好的柔韧性和丰富的资源。清华大学海课题组用石墨烯直接与硅接触形成肖特基结，制备了石墨烯和硅肖特基结太阳能电池，电池效率达到了1.7%。随后该课题组将石墨烯和碳纳米管薄膜复合在一起制备成透明导电薄膜，这种薄膜与硅形成太阳能电池效率达到5.2%。韩国科学家利用CVD方法实现了石墨烯柔性透明导电膜的图案化生长，其透光率可达80%。

　　石墨烯的亲水性衍生物——氧化石墨烯，成为制备超滤分离膜的理想选择。Nair等发现，几个微米厚的氧化石墨烯膜能够完全阻挡气体分子通过，如He、H2、N2和Ar气，而水分子却能够顺利地通过由非氧化区——石墨烯区构成的毛细孔道，穿过氧化石墨烯膜，在23mbar(1mbar=102Pa)的压力下，其通量为0.1L/(m2?h?bar)。卢瑛等采用界面聚合法，制备了GO-PA(聚酰胺)/PSF(聚砜)混合基质反渗透复合膜，考察了该膜对氯化钠的截留性能及耐氯性。结果表明，聚酰胺反渗透膜填充氧化石墨烯后，其分离性能优于聚酰胺膜，且具有较好的耐氯性。随着氧化石墨烯含量的增加，膜的通量增大，当添加量为0.005%时，膜具有最大通量，为63L/(m2?h)。

　　马国富等利用超声分散法和流延成膜法制备了具有层状结构的聚乙烯醇/氧化石墨烯（PVA/GO）纳米复合膜。GO均匀分散在PVA基体中，PVA中羟基与GO中含氧基团相互作用进行复合。GO的加入能明显改善复合膜的热稳定性、耐水性和力学性能。余亮等以壳聚糖正电改性的氧化石墨烯为无机添加剂，采用相转化法制备有机无机杂化纳滤膜，考察了不同改性氧化石墨烯添加量对膜分离性能的影响，结果表明，随着改性氧化石墨烯含量的增加，杂化膜的纯水通量、分离选择性明显增加，改性氧化石墨烯的最佳添加质量分数为5%左右。

　　3、在催化材料中的应用

　　石墨烯复合催化材料具有高的稳定性和油溶性，因此在催化领域的用途日益显现。

　　Liang等发现，在碱性介质中Co3O4和GO对ORR仅有很小的催化活性，但是Co3O4纳米晶粒生长在还原氧化石墨烯（RGO）上制备的杂化物（Co3O4/RGO）对ORR表现出惊人的催化活性，特别是采用N掺杂石墨烯（N-RGO）时催化活性提高更为明显。这种Co3O4/N-RGO催化剂具有与Pt/C相似的催化活性，但稳定性远超过Pt/C催化剂，Co3O4和石墨烯协同的化学耦合效应起主要作用。

　　Kou等通过热膨胀氧化石墨制备出功能化石墨烯片，采用H2PtCl6?xH2O为原料制备出了平均直径约为2nm大小的Pt催化剂纳米粒子，然后采用浸渍法将此Pt纳米粒子均匀地负载到功能化的石墨烯片上，获得纳米粒子复合催化剂。这种催化剂具有更大的比表面积、更好的氧化还原性能，且比一般的商业Pt/C催化剂具备更稳定、更优良的催化性能。

　　董如林等采用钛酸四正丁酯及氧化石墨烯作为原料，在水性体系中合成了TiO2/GO复合光催化剂。当氧化石墨烯添加量超过5%时，样品为TiO2/GO复合物。TiO2/GO复合光催化剂的活性随着GO复合量的增加而增大，并在10%时达到最高。

　　何光裕等制备的ZnO/氧化石墨烯复合材料中，氧化石墨烯与ZnO纳米颗粒之间存在电子转移效应，抑制ZnO中光生电子空穴对的复合，提高了ZnO的可见光催化性能。

　　4、在储能材料中的应用

　　石墨烯在能源存储方面也有着举足轻重的作用，氢能一直以来都被看作是非常优质的能源，但由于它的密度低、易爆炸的特点，储氢材料一直是人们研究的热点，石墨烯类材料的出现将在氢能存储中得到广泛的应用。希腊大学研究人员Froudakis等设计了新型3D碳材料，当这种新型碳材料掺杂了锂原子时，石墨烯柱的储氢量可达到6.1%（质量分数）。Ataca等利用第一性原理平面波法得到

　　石墨烯被钙原子掺杂后储氢量可到达8.4%（质量分数），钙原子会留在石墨烯表面，有利于循环使用。Chen等利用二维石墨烯片掺杂钯纳米颗粒后再混合活性炭受体，用作储氢材料。实验证明，这种材料在10MPa下储氢量为0.82％（质量分数），比不含石墨烯的钯材料提升了49％，而且此材料的吸附是高度可逆的。

　　石墨烯具有特殊的二维柔性结构，在制作高能、柔韧和微型超级电容器等方面有很大的潜力。Peng等将MnO2纳米片与石墨烯混合制成柔性平面超级电容器，这种平面结构不仅引入更多的电化学表面吸附/解析电解液离子，而且提供更多的界面用于充放电过程中电荷的传输。其电化学比容量可达到233F/g，7000次充放电循环后仍可保持92％的容量。

　　5、其他应用

　　石墨烯除了以上方面的应用外，还将在其他领域发挥巨大的效能，如作太空电梯缆线、高频电路、代替硅用于生产超级计算机、用于光子传感器、纳电子器件等；石墨烯基质复合材料是以石墨烯与其他成分复合后制备的材料，同时具备石墨烯和所复合材料的优越性，也是近来人们研究的热点。它可分为石墨烯-无机复合材料、石墨烯-聚合物复合材料和其他石墨烯复合材料3类，石墨烯在增强复合材料方面体现了优异的性能，超越了碳纳米管，可用于制造风力涡轮机和飞机机翼的增强复合材料。此外，石墨烯可用作吸附剂、催化剂载体、热传输媒体等，石墨烯的结构特殊、性能优异使得其具有广泛的应用前景。

　　5石墨烯最新成果展示

　　1、石墨烯在人造肌肉方面取得重大突破

　　常规“人造肌肉”使用的金属电极材料由于遇到空气和电流容易发生开裂，导致其使用寿命不长。来自韩国科学院的科学家们在石墨烯中找到了解决办法。通过对石墨烯进行疏水性激光刻蚀，能有效提高石墨烯电极的抗氧化性和防止电极开裂。这项结果发表在《ACSPublications》上。石墨烯电极的巨大优势，必将推动“人造肌肉”的进一步发展。

　　2、石墨烯与金刚石的结合得到梦幻中的性能——超润滑？

　　“超润性”即发生相对运动的物体之间的摩擦力几乎为零甚至完全消失的现象。来自美国能源部的研究人员通过摩擦的方式将片状石墨烯和金刚石纳米颗粒结合得到的新材料中出现了超润性，但只在干燥环境下出现，而潮湿环境中却没有。

　　在机械方面，降低摩擦具有很大现实意义，但要真的做到超润性，还有很艰难的一段路要走。

　　3、打印石墨烯在可穿戴设备的应用

　　曼彻斯特大学的一个研究团队已经发明了在高导电率和低成本条件下打印无粘结剂石墨烯的方法，并用此方法打印出了柔软的可接收无线电频率的天线。研究者们相信这种技术可以为石墨烯成分从射频识别到可穿戴电子器件的商业应用提供低成本效益。

　　作为一个概念化的证明，这一发现可以革命性地改变需要射频交互的器件和可穿戴电子设备的生产。

　　4、韩国科学家制造了一种石墨烯超级电容器

　　韩国光州市科学与技术研究所的科学家们发明了一种石墨烯超级电容器，它每千克储存的能量可以和锂离子电池相媲美，并能够在四分钟内再充电。该超级电容器的制备分为两个阶段，首先利用石墨烯粉末在氧气条件下生产氧化石墨烯，然后在一定条件下继续加热，继后将发生化学反应最后除去多余氧气直到适合掺入超级电容器。

　　鉴于这种超级电容器的高储能量可与锂电池相媲美，倘若将其继续改进，今后应用到汽车航天等领域则指日可待。

　　5、中美学者发现类石墨烯新型单光子源开辟光量子器件新途径

　　从中国科学技术大学获悉，该校潘建伟、陆朝阳等学者与美国华盛顿大学许晓栋、香港大学姚望合作，近期在国际上首次在类石墨烯单原子层半导体材料中发现非经典单光子发射器，连接了量子光学和二维材料这两个重要领域，打开了一条通往新型光量子器件的道路。

　　6、石墨烯包裹纳米线柔性屏中新材料

　　普渡大学研究人员利用等离子体增强化学气相沉积，将石墨烯包裹在铜纳米线上，有效防止铜线被氧化，并显著提高数据传输速度，降低传导热。这种材料在液晶和柔性显示器中的应用前景很好。

　　7、美研发出石墨烯柔性超级电容器

　　美国莱斯大学利用石墨烯等开发出了柔性双电层电容器(也叫超级电容器)。相关论文已发表在《ACSNANO》上。这种双电层电容器的特点是耐弯曲性出色。

　　中国是目前石墨烯研究和应用开发最为活跃的国家之一，要想在石墨烯行业内占据重要地位，需要科学工作者们继续奋斗。