【干货】一文透视未来“新材料之王”——石墨烯

石墨烯（Graphene）是碳原子紧密堆积成单层二维蜂窝状晶格结构的一种碳质新材料，其基本结构是由碳原子以sp2杂化键合形成的苯六元环。厚度只有0.335纳米,仅为头发的20万分之一，石墨烯的发现使碳材料家族更加充实完整，形成了包括：零维富勒烯，一维碳纳米管，二维石墨烯，三维金刚石和石墨的完整体系。

单原子层石墨烯与富勒烯、碳纳米管以及石墨的结构关系示意图，(a) 石墨烯、(b) 富勒烯、(c) 碳纳米管、(d) 石墨

石墨烯是构建其它维数碳质材料的基本单元，具有极好的结晶性、力学性能和电学质量。

（1）石墨烯的强度是已知材料中最高的，达到了130Gpa，是钢的100 多倍

（2）石墨烯具有很高的杨氏模量和热导率，达到1060Gpa 和 3000W/m/k。

（3）同时，石墨烯平面结构使其拥有相当高的表面积，达到2600 ㎡/g。

（4）石墨烯特有的平面结构也使其拥有了奇特的电子结构和电学性质，其载流子迁移率达200000 c㎡/v/s，超过商用硅片迁移率的 10 倍以上，所以石墨烯具有非常高的电导率，达6000S/cm。

（5）石墨烯还具有室温下的量子霍尔效应、双极性电场效应、反常量子霍尔效应等，使其在电子器件制造等领域具有了重要的应用，对高性能电子器件的发展起到了重要的推进作用。

氧化石墨烯

化学式为C4O2-x(OH)2x(0

氧化石墨烯结构示意图

制备氧化石墨的常用方法主要包括 Brodie方法，Staudenmaier方法以及 Hummers 方法。基本原理：先用强酸处理原始石墨，得到石墨层间化合物，然后用强氧化剂对其进行氧化处理。

原始石墨是疏水的，经过氧化以后石墨表面会形成大量的含氧基团如羧基、羟基、环氧基等，从而使氧化石墨具有了水溶性，再经过超声振荡处理后就可以分散成氧化石墨烯。

氧化石墨烯因为存在含氧基团等缺陷破坏了它本身的电子结构，因此需要经过化学还原或热还原将含氧基团去掉，修复石墨烯表面的电子结构从而使其具有更优异的性能。

氧化石墨烯的特性

(1)良好的亲水性和相容性：

理想的石墨烯片表面不含任何活性基团，而氧化石墨烯片层由于含氧活性基团的引入，使其具有了某些新的性质，如亲水性、良好的分散性以及相容性。

(2)很好的表面活性和润湿性：

氧化石墨烯表面的亲水性含氧活性基团，使氧化石墨烯具有很强的表面活性和润湿性，从而使氧化石墨烯能够在常用的极性溶剂如四氢呋喃等中，形成稳定的分散溶液。

(3)可作为补强填充材料：

极性基团同样使氧化石墨烯与某些极性聚合物的相容性增加，稳定分散的氧化石墨烯通过溶液法与聚合物材料混合可以制备出具备优良电学性能和力学性能的纳米复合材料，使氧化石墨烯成为优良的纳米复合材料补强填充料。

由于氧化石墨烯的良好性能，其对聚合物材料的力学性能、热性能等的补强效果相对于其它无机补强填料更优异，同时在聚合物基体中的添加量也比传统的补强填料要少。研究人员利用氧化石墨烯作为补强填料，制备了大量具有优异力学性能、热性能的纳米复合材料，对于聚合物复合材料的发展具有重要意义。

（4）其导电性较差：

含氧活性基团的引入破坏了氧化石墨烯片层内的π键，使其丧失了传导电子的能力，故其导电性较差，因此氧化石墨烯不适合制备要求具有导电能力的电子器件。

（5）具有不同的电子结构：

氧化石墨烯与石墨烯具有不同的电子结构，如果石墨烯完全被氧化则可成为绝缘体，经过还原后又可以从绝缘体变为导体。因此，可:以通过改变和控制氧化石墨烯不同的氧化程度实现对石墨烯电子结构的调控。

（6）GO薄膜是一种稳定的光电阴极材料

在光强为100 mW/cm2的白光照射下, 偏压为－0.4 V时, 0.1 mol•L－1的Na2SO4溶液中薄膜电极的光电流密度达3.72 μA/cm2.

（7）光响应性能

氧化石墨烯作为可见和近红外区域作为光电探测器具有很好的光响应性能优异、灵敏性度高、响应速率快和可重复性好等特点，还发现在强紫外光下氧化石墨烯的光响应稳定性较差。

石墨烯的应用

石墨烯材料的部分应用

现在石墨烯的性质已经得到了比较深入的研究，并且显示出广泛的应用前景：它不仅可以替代目前的许多材料，实现性能的提升以及制造成本的降低，如半导体领域中的硅；也可以与其他材料复合，从而改善其性能，形成一系列多功能复合材料；甚至使我们曾经的一些设想成为可能。

现今石墨烯的几个主要应用领域有：

环保监测领域

功能化石墨烯及石墨烯复合材料，在污染物吸附、过滤方面表现优异

电子材料领域—重点领域：

• 透明电极（太阳能电池）

• 电池负极材料