石墨烯材料
石墨烯是什么材料
石墨烯是什么材料
石墨烯是一种由碳原子构成的二维晶体材料，其结构类似于蜂窝状的蜂窝状结构。石墨烯由单层碳原子组成，形成了具有特殊性质的六角形晶格。石墨烯的发现被认为是一项革命性的进展，因为它具有许多独特的物理和化学特性，使其在许多领域具有巨大的潜力。
首先，石墨烯具有出色的导电性。由于其独特的结构，石墨烯中的电子可以自由移动，因此具有非常高的电导率。事实上，石墨烯被认为是已知最好的导电材料之一，甚至比铜还要好。这使得石墨烯在电子器件和导电材料方面具有巨大的应用潜力。
其次，石墨烯还具有出色的热导率。由于其结构的特殊性，石墨烯可以有效地传递热量，因此具有很高的热导率。这使得石墨烯在热管理和散热领域具有广阔的应用前景。
此外，石墨烯还具有出色的机械性能。尽管它只有一个原子厚度，但石墨烯却非常坚固和耐用。事实上，石墨烯被认为是已知最坚固的材料之一，具有比钢还要强大的拉伸强度和弹性模量。这使得石墨烯在材料强度和耐久性方面具有巨大的潜力。
此外，石墨烯还具有许多其他独特的特性，例如光学透明性、化学稳定性和柔韧性等。这些特性使得石墨烯在许多领域都具有广泛的应用前景，包括电子学、光学、材料科学、生物医学等。
总的来说，石墨烯是一种具有许多独特性质的材料，具有广阔的应用前景。随着对石墨烯的研究不断深入，相信它将在未来的许多领域发挥重要作用，为人类社会带来巨大的变革和进步。
石墨烯ppt课件
石墨烯具有极高的电子迁移率和 电导率，可用于制备高性能电子 器件。
石墨烯是已知强度最高的材料之 一，具有很高的韧性和弹性模量 。
制备方法来自百度文库介
机械剥离法
通过机械力将石墨剥离成单层或 少层石墨烯。
01
02
氧化还原法
03
将石墨氧化得到氧化石墨，再经 过还原得到石墨烯。
04
化学气相沉积法
在高温下，将碳源气体分解并在 基底上沉积形成石墨烯。
三维多孔支架、细胞培养基质、神经修复导管
石墨烯组织工程支架材料的研究进展及前景
骨组织工程、皮肤组织工程、心肌组织工程
安全性评价和毒理学问题关注
石墨烯的生物安全性问题
01 细胞毒性、免疫原性、遗传毒性
石墨烯的体内代谢和毒性机制
02 吸收、分布、代谢、排泄过程，毒性作用靶点
石墨烯安全性评价和毒理学研究的重要性
石墨烯ppt课件
目录
• 石墨烯基本概念与性质 • 石墨烯表征技术与方法 • 石墨烯材料制备工艺研究 • 石墨烯在能源领域应用前景分析 • 石墨烯在生物医学领域应用案例分析 • 石墨烯产业发展现状与趋势预测
01
石墨烯基本概念与性质
Chapter
石墨烯定义及结构特点
石墨烯是一种由单层碳原子组成的二维材料。
05
石墨烯在生物医学领域应用案 例分析
石墨烯是什么材料
石墨烯是什么材料
石墨烯是一种由碳原子形成的二维晶格结构的材料，被认为是科学界中的一项重大发现。它具有许多出色的性质，使其成为研究、应用和开发各种技术的理想材料。本文将介绍石墨烯的结构、性质和应用。
石墨烯的结构非常特殊。它是由一个碳原子层构成的，碳原子形成了六边形的排列。每个碳原子与周围三个碳原子形成共价键，形成一个稳定的二维晶格结构。这种结构使石墨烯具有独特的性质。
首先，石墨烯具有优异的电子性能。由于其二维结构，石墨烯的电子在平面内可以自由移动，表现出高度的导电性。事实上，石墨烯的电子迁移率可以达到几百万cm2/V·s，远高于其他材料。这使得石墨烯成为电子器件和传感器等领域的理想选择。
其次，石墨烯具有出色的力学性能。虽然石墨烯只有一个碳原子层的厚度，但它的强度却相当高。实验证明，石墨烯的强度是钢铁的200倍，同时也具有很高的柔韧性。这种强度和柔韧性使石墨烯成为纳米复合材料和柔性电子设备的理想材料。
此外，石墨烯还具有很高的光学透明性。它可以在可见光和红外光范围内实现高透射率，达到97.7%。这使得石墨烯在显示
技术和太阳能电池等领域有着广泛的应用前景。
石墨烯的应用非常广泛。在电子领域，石墨烯可以用于制造高速电子器件、柔性电子设备和能量存储器件。在材料领域，石
墨烯可以用于制造轻质复合材料、高强度纤维和超薄薄膜。在能源领域，石墨烯可以用于制造高效的太阳能电池和储能装置。此外，石墨烯还可以用于制造高效的传感器、过滤器和催化剂等。
然而，尽管石墨烯具有如此出色的性质和应用潜力，但目前仍面临一些挑战。首先，大规模合成石墨烯仍然是一个复杂和昂贵的过程。其次，石墨烯的良好导电性和透明性容易受到氧化和杂质的影响，从而降低性能。因此，石墨烯的制备和保护仍然需要进一步的研究和发展。
石墨烯原材料
石墨烯原材料
石墨烯是一种由碳原子构成的二维晶体材料，具有出色的导电性、热导性和机
械性能，被誉为21世纪的“黑金”。作为石墨烯的原材料，石墨矿石是其最主要
的来源之一。
石墨矿石是一种含碳量高达80%以上的矿石，主要成分是石墨，同时还含有少
量的杂质。石墨矿石通常以天然石墨、胶片石墨和晶体石墨等形式存在。在石墨矿石中提取石墨烯，首先需要对石墨矿石进行粉碎、浮选等物理化学方法的处理，然后经过高温等条件下的化学氧化、还原等反应，最终得到石墨烯。
除了石墨矿石外，石墨烯的原材料还包括石墨烯氧化物和石墨烯衍生物。石墨
烯氧化物是一种由石墨烯和氧原子构成的化合物，通常是通过氧化石墨烯的方法得到的。石墨烯衍生物则是指通过对石墨烯进行功能化改性，形成不同性质和用途的新材料。这些衍生物可以是石墨烯的氧化物、硫化物、氮化物等多种形式。
在石墨烯的生产过程中，选择合适的原材料对于石墨烯的质量和性能至关重要。石墨矿石作为石墨烯的主要原材料之一，其质量和纯度直接影响着石墨烯的最终性能。因此，在石墨烯的生产中，需要对石墨矿石进行严格的筛选和加工，以保证石墨烯的质量。
在石墨烯的应用领域中，石墨烯的原材料选择也是至关重要的。不同的原材料
可以制备出具有不同性能和用途的石墨烯制品，如导电材料、柔性显示器、超级电容器等。因此，在石墨烯的应用中，需要根据具体的需求选择合适的原材料，并进行相应的加工和改性，以满足不同领域的需求。
总的来说，石墨烯的原材料包括石墨矿石、石墨烯氧化物和石墨烯衍生物等多
种形式。这些原材料在石墨烯的生产和应用中起着至关重要的作用，对于石墨烯的质量和性能具有重要影响。因此，在石墨烯产业的发展中，需要加大对石墨烯原材料的研究和开发，不断提高石墨烯的质量和性能，推动石墨烯产业的健康发展。
石墨烯纳米材料
石墨烯纳米材料
石墨烯是一种由碳原子构成的二维晶格结构材料，具有许多出色的特性，如高
导热性、高机械强度和优异的电学特性。由于这些特性，石墨烯被广泛认为是未来材料科学领域的一个重要研究方向。
首先，石墨烯的高导热性使其成为热管理领域的理想材料。石墨烯的热导率非
常高，远远超过许多其他材料。这使得石墨烯可以应用于电子设备和热管理系统中，提高设备的散热效率，从而延长设备的使用寿命。
其次，石墨烯的高机械强度使其成为一种理想的结构材料。石墨烯的强度非常高，即使是单层石墨烯也可以承受很大的拉伸力。这使得石墨烯可以应用于制备高强度的复合材料，用于航空航天和汽车等领域，提高材料的强度和耐久性。
另外，石墨烯的优异电学特性也为其在电子领域的应用提供了广阔的空间。石
墨烯具有非常高的电子迁移率和热稳定性，使其成为一种优秀的导电材料。这使得石墨烯可以用于制备高性能的电子器件，如场效应晶体管和光电探测器等。
总的来说，石墨烯作为一种纳米材料，具有许多出色的特性，使其在热管理、
结构材料和电子器件等领域都有着广阔的应用前景。随着石墨烯制备技术的不断进步，相信石墨烯将会在未来的材料科学领域发挥越来越重要的作用。
石墨烯材料
石墨烯材料
纯净、完美的石墨烯是一种疏水材料，并且在大多数有机溶剂中也难
于溶解。不过，对石墨烯进行复合和改性，如通过修饰，共价或非共价的
方法将功能基团引入石墨烯平面，能使其溶解度显著提高H¨”。在没有
分散剂的作用下，直接将疏永的石墨烯片分散在水中是很困难的。通过氨
水调节pH值为10左右，用水合肼还原氧化石墨烯(GO)的办法，可以得到
还原的石墨烯(rG0)。由于这利-石墨烯还含有少量的含氧基团，因而可在
水溶液中分散。但这种分散能力依然是有限的，不超过O5mg／mL。除了水，一些有机溶剂，如乙醇、丙酮、二甲基亚砜和四氢呋喃也可以用来分
散rGO。金属离子和功能基团同样可以用来修饰rGO片层。在KOH溶液中，用肼还原氧化石墨可得到钾离子修饰的石墨烯(hKlvlG)，其能在水溶液中
均匀分散。另外，将苯磺酸基团引入GO，还原后可得少量磺化的石墨烯，这种石墨烯在pH处于3-10的范围内时，浓度可达2mg／mL。
共价修饰石墨烯指的是用含有功能基团的分子与石墨烯表面的含氧基
团的反应，如羧基、环氧基、羟基，包括平面内的碳碳双键。例如，分散
在四氢呋喃，四氯化碳，1，2-二氯乙烷(EDC)qb的rGO，发现把其边缘的
羧基修饰上十八胺时后，其稳定性增加[48-50。用异氰酸酯处理石墨烯时，表面的羟基和边缘的羧基会形成酰胺和氨基甲酸酯。氧化石墨烯的羧基与
聚乙烯醇(P、後)的羟基酯化也实现了合成GO与聚合物的复合片层。另一
方面，石墨烯表面的环氧基团可以接受亲核试剂(如离子液体1-(3-aminopropyl)-3-methylimidazoliumbromide或APTS)的进攻而发生开环
石墨烯生产原料
石墨烯生产原料
石墨烯的生产原料主要有天然石墨、石墨粉、氧化石墨、氯化石墨以及石墨烯前体材料等。
1. 天然石墨：通过天然石墨进行石墨烯的制备。天然石墨是一种含有大量碳元素的岩石矿石，在石墨烯的生产过程中，通过化学或物理方法对天然石墨进行氧化、还原、剥离等处理，最终得到石墨烯材料。
2. 石墨粉：石墨粉是一种细小粒径的石墨颗粒，通常直径在0.1-500微米之间。石墨粉可以通过研磨、球磨等方法制备，然后通过氧化还原等工艺将石墨粉转化为石墨烯。
3. 氧化石墨：氧化石墨是一种含有氧元素的石墨材料，通过将天然石墨或石墨粉暴露在氧气、氧化剂或酸性条件下，使其发生氧化反应，生成氧化石墨。随后，通过还原等措施，可以将氧化石墨转化为石墨烯。
4. 氯化石墨：氯化石墨是一种含有氯元素的石墨材料，通过将天然石墨或石墨粉与氯气反应，使其发生氯化反应，生成氯化石墨。然后再通过还原剂将氯化石墨降解，生成石墨烯。
5. 石墨烯前体材料：除了上述原料，还可以使用一些石墨烯前体材料进行石墨烯的制备。这些前体材料可以是含有碳元素的有机化合物，如石墨烷、石墨烯烷、多聚苯乙烯等，也可以是含有碳元素的无机化合物，如碳化硅、碳纳米管等。这些前体材料经过适当的处理和转化，可以得到石墨烯材料。
需要注意的是，石墨烯的生产原料选择主要取决于生产工艺和方法，不同的生产方式可能会采用不同的原料。
石墨烯简介
• 单层石墨烯厚度仅为一个碳原子 • 多层石墨烯由多个单层石墨烯堆 叠而成
• 电子迁移率高达200,000 cm²/V·s • 热导率高达5,000 W/m·K • 机械强度高达1 TPa
石墨烯的发现与早期研究
石墨烯的发现可以追溯到19世纪
• 1854年，英国物理学家约瑟夫·道尔顿首次提出石墨中可能存在单层结构 • 1947年，英国物理学家W.H.布拉格和W.L.布拉特通过实验证实了单层石墨的存 在
其他制备方法及其优缺点
• 其他制备方法包括湿法剥离法、氧化还原法等 • 湿法剥离法：通过溶剂剥离或离子液体剥离实现石墨烯的制备 • 氧化还原法：通过化学氧化和还原过程实现石墨烯的制备
• 优点：制备方法多样，可根据需求选择合适的制备方法 • 缺点：各种制备方法均存在一定的局限性和工艺难题
03
石墨烯的性能与特性
石墨烯的导电性能与电子迁移 率
• 石墨烯具有超高导电性，电子迁移率高达200,000 cm²/V·s • 远高于铜等金属材料的导电性能 • 使得石墨烯在电子器件中具有广泛的应用前景
石墨烯的热导性能与机械强度
石墨烯具有高热导率，热导率高达5,000 W/m·K
• 远高于硅等半导体材料的热导性能 • 使得石墨烯在散热器件中具有广泛的应用前景
石墨烯在生物医药领 域的应用
• 石墨烯在药物载体、生物传感器等领域具有广泛的应用前景 • 提高药物的靶向输送效率和生物传感器的灵敏度和稳定性
石墨烯的原材料是什么
石墨烯的原材料是什么
石墨烯的结构非常简单，它由一个层层叠加的碳原子构成，每个碳原子都形成了一种类似蜂窝状的结构。这种结构使得石墨烯具有非常特殊的性质，比如非常高的比表面积和极好的柔韧性。而石墨烯的制备方法也非常多样，可以通过化学气相沉积、机械剥离、化学氧化还原等方法来制备。
那么，石墨烯的原材料是什么呢？其实，石墨烯的原材料非常简单，就是普通的石墨。石墨是一种天然存在的矿物，由碳原子构成，具有层状结构。在石墨烯的制备过程中，石墨是最主要的原料之一。通过机械剥离、化学氧化还原等方法，可以将石墨转化为石墨烯。
除了石墨之外，还有一些其他的原材料可以用来制备石墨烯，比如碳纳米管、碳纤维等。这些原材料都含有丰富的碳元素，可以通过一定的方法转化为石墨烯。但是相对来说，石墨仍然是制备石墨烯的最主要原料。
总的来说，石墨烯的原材料主要是石墨，通过一系列的制备方法可以将石墨转化为石墨烯。石墨烯作为一种新型的材料，具有非常广阔的应用前景，可以用于电子器件、传感器、储能材料等领域。因此，研究石墨烯的制备方法和原材料是非常重要的，也是当前材料科学领域的研究热点之一。希望通过本文的介绍，读者对石墨烯的原材料有了更深入的了解。
石墨烯
石墨烯应用前景
•在纳电子器件方面的应用 •代替硅生产超级计算机 •光子传感器
•晶体管、触摸屏、基因测序等领域
石墨烯掺杂是 实 现石 墨烯 功 能化 的重要 途 径之 一 。通过 掺 杂 可 改 变原 有 石 墨 烯 的结 构 性质 ， 调控 石墨 烯 的 光 学 与 电 学性 质 ， 因掺 杂 石 墨 烯 有巨大 发展潜 能而 受 到研 究 人 员 的广 泛 关注 。
石墨烯的特性
石 墨 烯的特性具 有 许 多 独 特 ，例如 ： 强 度最 高 、 高 的 电子 迁 移 率 、 半 整数 量 子霍尔效 应 、 完美 的量 子 隧道 效 应 、 双 极 性 超 导 电流的 电场效应 、 永不 消 失 的 电导 率 、 弱 局 域 化 现象等 ， 这 些特 性更是 引起 科学 界 对 于 碳材料 ， 尤 其 是 石墨 烯 的研 究热 潮 。
石墨烯基本信息
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15 000 cm2 /（V· s），又比纳米碳 管或硅晶体高，而电阻率只约10-6 Ω·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。
石墨烯原材料
石墨烯原材料
石墨烯，是由碳原子通过共价键形成的一个二维单层晶体结构。它是迄今为止已知的最薄的材料，仅有0.33纳米厚，是碳纳
米材料中最有潜力的一种。石墨烯具有许多独特的物理和化学性质，引起了科学界的广泛关注。
石墨烯的原材料是石墨。石墨是一种晶体碳，由无数层平行排列的碳原子组成。石墨烯是石墨中剥离出来的一层单原子厚的材料。在过去的几十年中，科学家们努力发展一种方法来制备石墨烯，以便进行进一步的研究和应用。
制备石墨烯的方法有很多种，其中最常用的方法是机械剥离法。这种方法是将一块石墨材料放置在一个胶带上，然后使用另一块胶带来剥离石墨层。重复这个过程多次，就可以得到足够薄的石墨烯层。
另一种方法是化学气相沉积法。这种方法是将石墨材料放置在一个封闭的反应室中，然后加热至高温，并将石墨材料与一种气体源（通常是甲烷）反应。通过反应，石墨会分解为石墨烯，并在基底上沉积。这种方法可以得到大面积的石墨烯薄膜。
石墨烯的原材料-石墨，是一种非常常见的材料。石墨广泛存
在于自然界中，尤其是在石墨矿石和炭黑中。因此，石墨烯的制备相对比较容易，成本相对较低。
石墨烯的原材料不仅有石墨，还可以是其他碳材料，如碳纳米管和石墨炔。这些碳材料都可以通过适当的方法制备石墨烯。
此外，石墨烯的原材料还可以利用废弃物和可再生资源来制备。例如，利用稻壳、木屑和废旧纸张等可再生资源，通过热解或化学反应，可以得到石墨烯。
总的来说，石墨烯的原材料主要是石墨，但也可以是其他碳材料和可再生资源。通过适当的方法，可以比较容易地制备石墨烯。石墨烯作为一种重要的纳米材料，在电子学、光学、能源存储和传输等领域具有广泛的应用前景。
石墨烯材料
石墨烯材料
石墨烯是由碳原子按照六角晶格排列而成的二维晶体材料，其厚度仅为一个原子层，被认为是二十一世纪最具潜力的材料之一。石墨烯的独特结构使其具有许多引人注目的特性和应用前景。
首先，石墨烯具有出色的电子输运性能。由于其二维结构，电子在石墨烯中可以自由移动，具有很高的迁移率，甚至可以与高质量的金刚石相媲美。这使得石墨烯在电子学领域具有广泛的应用前景，如高速晶体管、透明导电材料等。
其次，石墨烯具有优良的力学性能。尽管石墨烯非常薄，但其在室温下的拉伸强度却非常高，比钢强度高约200倍。同时，石墨烯的弹性模量也非常高，远远超过钢和其他传统的材料。这使得石墨烯在强度和耐用性方面有广泛应用的潜力，如制作高性能纤维、轻薄电子设备等。
此外，石墨烯还具有优异的光学性能。石墨烯具有全球范围内最高的光吸收率，约为2.3%，无论是在可见光还是红外光区域都表现出色。这使得石墨烯在太阳能电池、光传感器等方面有广泛的应用前景。
另外，石墨烯还具有独特的热导性能。石墨烯具有非常高的热导率，远超过铜和铝等传统材料。这使得石墨烯在导热材料、热管理领域有巨大的潜力，如制造高效散热器、热电材料等。
除了上述几个方面，石墨烯还具有许多其他特殊的性质，如超
高的比表面积、优异的化学稳定性和生物相容性等。这些性质使得石墨烯在诸多领域具有广泛的应用前景，如电池、超级电容器、催化剂、生物传感器等。
然而，尽管石墨烯有着广泛的应用前景，但其大规模生产和应用仍然面临一些挑战，如制备成本高、质量控制困难、环境风险等。因此，石墨烯的发展仍需要进一步的研究和技术突破。
石墨烯：奇特的二维材料
石墨烯：奇特的二维材料
石墨烯是一种由碳原子构成的二维材料，具有许多奇特的性质和潜在的应用价值。它的发现引起了科学界的广泛关注，并被誉为“二十一世纪最重要的材料之一”。本文将介绍石墨烯的结构、性质以及其在各个领域的应用。
一、石墨烯的结构
石墨烯由一个碳原子层构成，这些碳原子以六边形的形式排列，形成一个类似于蜂窝状的结构。这种结构使得石墨烯具有很高的强度和导电性。石墨烯的厚度只有一个原子层，因此被称为二维材料。
二、石墨烯的性质
1. 强度和韧性：石墨烯具有很高的强度和韧性，是已知最强硬的材料之一。它的强度是钢的200倍，但重量却只有钢的1/6。
2. 导电性：石墨烯是一种优秀的导电材料，电子在其表面上可以自由移动。石墨烯的电导率是铜的几百倍，是硅的几千倍。
3. 热导性：石墨烯具有很高的热导性，是铜的几倍。这使得石墨烯在热管理和散热领域具有广泛的应用前景。
4. 透明性：尽管石墨烯只有一个原子层的厚度，但它却是一种透明材料。石墨烯对可见光的透过率高达97.7%，对紫外光和红外光也有很好的透过性。
5. 气体屏障性：石墨烯具有很好的气体屏障性能，可以阻止气体和水分的渗透。这使得石墨烯在包装材料和防腐蚀领域具有潜在的应用价值。
三、石墨烯的应用
1. 电子学领域：石墨烯在电子学领域具有广泛的应用前景。由于其优异的导电性能，石墨烯可以用于制造更小、更快的电子器件，如晶体管和集成电路。
2. 光电子学领域：石墨烯的透明性和导电性使其在光电子学领域具有潜在的应用价值。石墨烯可以用于制造柔性显示屏、太阳能电池和光传感器等设备。
石墨烯
石墨烯——改变世界的新材料
2010年的诺贝尔物理学奖将石墨烯带入了人们的视线。石墨烯特殊的结构形态，使其具备目前世界上最硬、最薄的特征，同时也具有很强的韧性、导电性和导热性。这些及其特殊的特性使其拥有无比巨大的发展空间，未来可以应用于电子、航天、光学、储能、生物医药、日常生活等大量领域。石墨烯集合世界上最优质的各种材料品质于一身，故有业内人士如此评价：如果说20世纪是硅的世纪，石墨烯则开创了21世纪的新材料纪元，将给世界带来实质性变化。
一、了解石墨烯材料
石墨烯（Graphene）是一种由碳原子构成的单层片状结构的新材料。石墨烯不仅是已知材料中最薄的一种，还非常牢固坚硬；作为单质，它在室温下传递电子的速度比已知导体都快。石墨烯是一种二维晶体，人们常见的石墨是由一层层以蜂窝状有序排列的平面碳原子堆叠而形成的，石墨的层间作用力较弱，很容易互相剥离，形成薄薄的石墨片。当把石墨片剥成单层之后，这种只有一个碳原子厚度的单层就是石墨烯。
石墨烯具有诸多超乎人类想象的优越特性：
第一、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。
第二、石墨烯是迄今为止世界上强度最大的材料，据测算如果用石墨烯制成厚度相当于普通食品塑料包装袋厚度的薄膜（厚度约100 纳米），那么它将能承受大约两吨重物品的压力，而不至于断裂。
上图为高定向热解石墨（HOPG），下图为从HOPG撕出来，置于厚度300 nm的
石墨烯介绍
石墨烯在柔性电子、可穿戴设备、生物医学、环 保等领域的应用拓展，将催生一批新的高科技产 业。
推动多学科交叉融合创新发展
促进物理学、化学和材料科学等基础学科的发展
石墨烯的研究涉及凝聚态物理、量子化学和材料科学等多个学科领域，其深入研究将有助 于揭示物质的基本规律和性质。
交叉融合创新
石墨烯的研究和应用需要电子工程、机械工程、生物医学等多学科的交叉融合，这种交叉 融合将推动相关学科的协同创新和共同发展。
核心技术创新突破及成果转化情况
技术创新
石墨烯制备技术不断取得突破，如化学气相沉积、液相剥离等方法的应用提高了石墨烯的生产效率和 质量。
成果转化
石墨烯在能源、电子、生物医学等领域的应用研究不断深入，部分成果已成功转化为实际产品，如石 墨烯电池、石墨烯晶体管等。
政策法规环境对行业影响解读
政策扶持
各国政府纷纷出台政策扶持石墨烯产业发展，如提供资金支持、建设创新平台、推动产 学研合作等。
优异导电导热性能
导电性能
石墨烯具有优异的导电性能，其电导率可达10⁶ S/m，是铜 的100倍。
导热性能
石墨烯的导热性能也非常出色，其热导率可达5000 W/m·K ，远高于铜等传统导热材料。这使得石墨烯在散热器件、热 管理等领域具有广阔的应用前景。
02
石墨烯制备方法与技术
机械剥离法
石墨烯（二维碳材料）
石墨烯（二维碳材料）
石墨烯（二维碳材料）
石墨烯（Graphene）是一种由碳原子以sp2杂化方式形成的蜂窝状平面薄膜，是一种只有一个原子层厚度的准二维材料，所以又叫做单原子层石墨。它的厚度大约为0.335nm，根据制备方式的不同而存在不同的起伏，通常在垂直方向的高度大约1nm左右，水平方向宽度大约10nm到25nm，是除金刚石以外所有碳晶体（零维富勒烯，一维碳纳米管，三维体向石墨）的基本结构单元。
很早之前就有物理学家在理论上预言，准二维晶体本身热力学性质不稳定，在室温环境下会迅速分解或者蜷曲，所以其不能单独存在。
[1]直到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，用微机械剥离法成功从石墨中分离出石墨烯，证实它可以单独存在，对于石墨烯的研究才开始活跃起来，两人也因此共同获得2010年诺贝尔物理学奖。
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，即使是最小的气体分子（氦气）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。[2]
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
石墨烯材料
1．4石墨烯材料
纯净、完美的石墨烯是一种疏水材料，并且在大多数有机溶剂中也难于溶解。不过，对石墨烯进行复合和改性，如通过修饰，共价或非共价的方法将功能基团引入石墨烯平面，能使其溶解度显著提高H¨”。在没有分散剂的作用下，直接将疏永的石墨烯片分散在水中是很困难的。通过氨水调节pH值为10左右，用水合肼还原氧化石墨烯(GO)的办法，可以得到还原的石墨烯(rG0)。由于这利-石墨烯还含有少量的含氧基团，因而可在水溶液中分散。但这种分散能力依然是有限的，不超过O 5 mg／mL。除了水，一些有机溶剂，如乙醇、丙酮、二甲基亚砜和四氢呋喃也可以用来分散rGO。金属离子和功能基团同样可以用来修饰rGO片层。在KOH溶液中，用肼还原氧化石墨可得到钾离子修饰的石墨烯(hKlvlG)，其能在水溶液中均匀分散。另外，将苯磺酸基团引入GO，还原后可得少量磺化的石墨烯，这种石墨烯在pH处于3-10的范围内时，浓度可达2mg／mL。
共价修饰石墨烯指的是用含有功能基团的分子与石墨烯表面的含氧基团的反应，如羧基、环氧基、羟基，包括平面内的碳碳双键。例如，分散在四氢呋喃，四氯化碳，1，2-二氯乙烷(EDC)qb的rGO，发现把其边缘的羧基修饰上十八胺时后，其稳定性增加[48-50。用异氰酸酯处理石墨烯时，表面的羟基和边缘的羧基会形成酰胺和氨基甲酸酯。氧化石墨烯的羧基与聚乙烯醇(P、後)的羟基酯化也实现了合成GO与聚合物的复合片层。另一方面，石墨烯表面的环氧基团可以接受亲核试剂(如离子液体1-(3-aminopropyl)-3-methylimidazolium bromide或APTS) 的进攻而发生开环反应。同样，rGO可以用重氮盐(如SDBS)共价功能化，使之在多种极性有机溶剂中具有很好的分散性。此外，由环加成反应将氮烯体系和碳碳双键连接，使苯基丙氨酸和迭氮三甲基硅烷等许多有机官能团引入石墨烯表面。与共价功能化相比，非共价功能化是基于rGO与稳定剂间的范德华力或相互作用。这种修饰不仅对石墨烯的结构破坏更小，而且为调控其溶解度和电子性质提供了便利。在氧化石墨烯的氨水溶液中，加入聚苯乙烯磺酸钠(PSS)后，再用水合肼还原，人们第一次制得了非共价修饰的可分散石墨烯。在这项工作中，PSS的疏水端与rGO发生吸附，阻碍了rGO的团聚。并且PSS 的另一端是亲水性的，这就使1<30．PSS在水中可以稳定分散。此外，通过与生物分子的
范德华作用，也可进行非共价的修饰。如使用以单链DNA(ssDNA)可制备水溶液稳定分散的单层石墨烯。利用水溶性芳香族有机分子芘酸(PB)与石墨烯之间兀-兀相互作用，同样实现了石墨烯的稳定分散。真空过滤后，可制备出PB-graphene复合膜。通过兀．7c相互作用修饰石墨烯这一途径，所得产品的溶解度和电导率都有了显著的提高。
1．4．1石墨烯-聚合物复合材料
由于具有非常好的导电性能、热稳定性、以及良好的机械强度，石墨烯及其衍生物成为重要的高分子填充材料。石墨烯聚合物复合材料的性能不仅取决于二种组分自身，还与其分散状况，成键及比例相关，这些因素都由合成过程决定。石墨烯-聚合物复合材料的合成方法与传统的聚合物合成方法类似，主要有：溶液混合法，熔融共混法和原位聚合法。溶液混合法因操作简单，不需要特殊的仪器，并能大规模生产，是一种最常用的石墨烯-聚合物复合材料制备方法。其核心问题是石墨烯在聚合物溶液中的溶解性和分散性。例如，水溶性的聚乙烯醇(PVA)，很容易与水溶性氧化石墨烯混合，并分散成不同浓度。然而，在有机溶剂中低溶解度的GO和tOO，给在有机溶剂中合成石墨烯一聚合物复合材料带来了很大的困难。一种解决方法就是利用超声提供亚稳的环境，使石墨烯与聚合物溶液充分混合，如聚甲基丙烯酸甲酯fPMMA)，聚己内酯(PCL)，聚氨酯(PU)，聚苯胺(PAPa)。高速剪切法也被用来混合石墨烯和聚合物，反应过程中要用冰浴来吸收剪切产生的热量。然而，由于溶剂缓慢的挥发，会导致rGO的再次团聚。因此，用功能分子修饰石墨烯，增加其在不同溶剂中的溶解度是很重要的。例如，异氰酸苯酯修饰的石墨烯与聚苯乙烯(Ps)混合在DMF中，经还原后可得。由于聚合物基质的存在，阻碍了rGO的团聚，其分散性能很好地保持。然而，这些研究中的稳定剂仅依靠弱的离域体系(如芳香族小分子)，因而限制了溶解度的进一步提高岬划。
圈1．11聚合物稳定的还原氧化石墨烯H目。
Fig．1．IIThe polymer-stabilized reductive graDherieoxide
近年来，新加坡南洋理工大学张华课题组，专门设计了共轭聚电解质(CPE) PFVSOj(其结构如图1_1l A)来与石墨烯复合。由于PFVS03与rGO之间强烈的相互作用，最终得到的PFVSOrrOO(m 1ll B)在多种极性溶剂中，包括水、乙醇、甲酵、DMsO、DIvIF都可以稳定分散。为了进一步提高石墨烯-聚合物在极性和非极性溶剂中的溶解度，可合成PEG．OPE(化
学结构如图1．11 c)来修饰石墨烯。PEG-OPE共轭的刚性棒状主链能通过强删作用与rGO平面底部链接(图1．1l D)，亲油性的侧链和两端亲水性螺旋段使片层成为双亲结构。最终结果使得这种复合物在低极性的有机溶剂和高极性溶剂中都有良好的溶解度。熔融共混法是另一种广受欢迎的并可工业制造高产量石墨烯复合材辩的方法。这利-方法是在升温的情况下，用高剪切力混合填充材料和聚合物基质。如聚交酯(PLA)．鳞片石墨正G)复合材料可通过PLA与EG在175．200。C下机械混合而成功制备。在另一个例子中，热还原氧化石墨烯后，将rGO与聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)在285 oC共混，制得了PET-石墨烯复合材料。然而，熔融共混法不如溶液混合法应用广泛：一是填充材料在基质中的分散能力的限制；二是高速的混合可能破坏填充物(如碳纳米管)和石墨烯。原位聚合法指的是混合单体溶液与石墨烯分散液，在适当的条件下，用催化剂催化反应。这其中，环氧树脂是一种常用的聚合物材料。例如，将石墨烯片悬浮液与环氧树脂高速搅拌混合，加热除去溶剂，再添加固化剂以完成聚合过程。聚苯胺(PANI)是另一种常用的聚合物，常通过原位聚合反应合成。其聚合过程中发生氧化反应，所以要加过硫酸铵来完成聚合反应。当然，这种氧化反应也可以通过电化学方法完成：用氢气还原热膨胀石墨，过滤、真空干燥后成石墨烯糊。用三电极体系，石墨烯糊附着在工作电极上，在含苯胺单体的电解质溶液中，电聚合并沉积聚苯胺到石墨烯上。除了环氧树脂和聚苯胺，通过原位聚合还制备出如硅树脂，聚苯乙烯，聚(氯乙烯／乙酸乙烯酯)共聚物等石墨烯．聚合物复合材料。上述的各种聚合方法合成出的材料中，石墨烯是无序而随机的分部在聚合物中。为了提高材料在某一方向上的力学性能，人们又提出了layer-by．1ayer(LbL) 组装复合膜的方法。例如，用Langmuir-Blodgett(LB)的方法将氧化石墨烯转移到多层聚电解质(Pan和PSS)膜上。到目前为止，石墨烯．聚合物复合材料提高了石墨烯的电导率，电化学容量，机械强度，热稳定性和导电能力。最主要采用的聚合物是聚苯胺，例如，通过原位电聚合获得的糊状石墨烯．PANI复合物，其电化学容量达到233 F／g和135 F／cm3，成为制造超级电容器的理想材料。另一项实验表明，用约2 nm的聚苯胺纳米颗粒包覆石墨烯纳米片获得了高达1046 F／g的电容量，而纯聚苯胺只有115 F／g。用聚苯胺纳米纤维与氧化石墨烯片混合，当二者质量比为100：1(PANI：GO) 也可达到531 F 儋的电容。除了导电聚合物外，绝缘聚合物也被用来与石墨烯复合。有文献报道了对一系列组成比不同的聚苯乙烯．石墨烯复合材料电导率的研究。当加入功能化的石墨烯片(FGS)的体积分数超过0．1％时，电导率突变就能发生，这比其它二维填充材料要低很多。低逾渗闽原因可能与石墨烯高横纵比，在基质中的均匀分散程度以及界面间基团相互作用相关。石墨烯与其它聚合物材料也表现出这种性质，如石墨烯对聚(氯乙烯／酉昔酸乙烯酯)共聚物的逾渗阈为O．15 v01％，对PET 为0．47 v01％，当加入3．0 v01％的石墨烯时，电导率为2．11 S／m。正如前面所提到的那样单层石墨烯片是目前测量到最强的材料之一，断裂强度和杨氏模量为别42 N m_1和1．0 TPa，使用石墨烯作为填充物，可以提高材料的力学性能。如用LbL的方法将功能化的氧化石墨烯片嵌入Pan和PSS聚电解质层，最终得到的复合膜的弹性模量从纯聚合物膜的1．5 GPa，提高到20 GPa(添加8％体积石墨烯)。这种具有优良力学和电学性能的复合膜可制造电容压力传感器，从而替代硬硅用于微电子机械系统(MEMS)。另一项研究显示，通过真空过滤可制备聚乙烯醇(PVA)．石墨烯复合材料。当加入3 wt％的氧化石墨烯后，材料的杨氏模量和抗拉屈服强度分别为4．8 GPa和110 MPa。将聚氨酯(P∽与氧化石墨烯共价连接后，促进了有效的荷载传递，使杨氏模量和硬度分别提高了900％和327％。这种高硬度能抵抗磨损，可应用于表面涂层。这些聚合物力学特性的增强不仅来自于石墨烯本身，还与其分散状况和相互作用相关。比如，石墨烯可以阻止高分子链在外力作用下而发生的运动。聚合物的热稳定性一般用玻璃化转变温度(Tg)来描述，在这个温度之上，高分子链在外力的作用下开始发生滑动。通过增加刚性材料，阻碍高分子链的运动，可以提高玻璃化转变温度。例如，将聚(胺酰胺)(PAMAM)与石墨纳米片(FNPs)