多孔石墨烯材料的研究进展

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石墨烯材料的力学性能研究

石墨烯材料的力学性能研究石墨烯，一种由普通石墨通过化学剥离等方法得到的单层碳原子构成的二维材料，近年来备受科学家们的关注。

石墨烯具有惊人的力学性能，如高弹性、超高的拉伸强度和弹性模量等特点，使得它成为材料科学领域中的研究热点。

石墨烯的高弹性使其具备良好的抗拉性能。

根据研究，石墨烯的力学性能可达到理论极限。

其单层结构使得石墨烯具有很高的拉伸强度，据测算，其拉伸强度可达130 GPa，相当于其自重的200倍。

这种惊人的抗拉性能使得石墨烯可以应用于高强度材料的制备，如航空工程中的轻量化结构材料。

除了抗拉性能，石墨烯还具备超高的弹性模量。

弹性模量是材料在受力下形变的能力，能够衡量材料的刚性。

石墨烯的弹性模量可达1 TPa，相当于钢铁的2倍，且具有良好的保持性能。

这一特点使得石墨烯在纳米电子学领域的应用十分重要，如光学器件、传感器和纳米压力开关等。

石墨烯的高弹性还使其可以作为柔性触控屏幕、柔性电子和可穿戴设备等领域的理想材料。

此外，石墨烯还具有优异的化学稳定性和生物相容性，使其具有广泛的应用前景。

石墨烯可以在室温下承受高达8 MPa的氧化性酸和10 MPa的碱性条件，而不发生化学反应。

这种化学稳定性使得石墨烯可以被应用于酸碱电池、电解水等领域。

此外，石墨烯还具有良好的生物相容性，可以用于生物医学领域的药物递送和组织工程等。

尽管石墨烯在力学性能方面表现出色，但其实际应用还面临一些挑战。

首先，由于石墨烯具有单层结构，因此其在抗剪切应力下的性能相对较弱。

此外，石墨烯的制备和操纵困难，限制了其大规模应用。

石墨烯的制备方法需要高温高压或者复杂的化学处理，制备工艺成本高，限制了其在实际工程中的应用。

为了应对这些挑战，科学家们正在开展大量的研究工作。

有研究发现，在与其它材料复合制备的复合石墨烯中，可以提高石墨烯的剪切性能。

此外，研究人员还通过在石墨烯表面引入缺陷，使其形成可控的疲劳屈服和断裂机制，从而改善了其力学性能。

多孔石墨烯的制备与应用研究进展

多孔石墨烯的制备与应用研究进展白瑞; 牛永安; 刘皓; 卢翠英; 高平强; 刘丽娜【期刊名称】《《河南科学》》【年(卷),期】2019(037)009【总页数】7页(P1408-1414)【关键词】石墨烯; 多孔石墨烯; 制备方法; 应用【作者】白瑞; 牛永安; 刘皓; 卢翠英; 高平强; 刘丽娜【作者单位】榆林学院化学与化工学院陕西榆林 719000; 沈阳化工大学材料科学与工程学院沈阳 110000【正文语种】中文【中图分类】O646石墨烯［1-4］，一种由碳原子以sp2杂化形成呈六边形蜂巢晶格的二维碳纳米片层，作为碳家族（包括无定型碳、石墨、金刚石、富勒烯、碳纳米管、石墨炔等）中的一名新成员，因其具有独特的电子迁移性、超大的比表面积、高的机械强度、优异的耐腐蚀性和表面化学结构易调控性等特性而受到了广泛的关注，在微纳电子器件、吸附、催化、能量存储与转化等领域崭露头角［5-8］. 然而，原始的石墨烯相对来说价格昂贵、水溶性差、有效比表面积低、吸附能力和可回收性低，以及复杂的后处理限制了它们的实际应用. 因此，许多研究者受石墨烯优异性能的启发，对石墨烯相关材料进行了广泛的实验和理论研究.石墨烯被视为构建其他sp2碳质材料的基本结构单元. 通过石墨烯的组装获得石墨烯相关材料不仅能实现对石墨烯微观结构和宏观织构的调控，同时也能衍生出独特的新性质，将会极大拓展石墨烯的应用范围［9］. 因此，越来越多的学者开始研究如何通过石墨烯的结构组装来控制材料形貌和内部架构，从而达到满足各种应用的目的. 多孔石墨烯［10-11］在这种背景下应运而生.1 多孔石墨烯的制备多孔石墨烯是一类具有纳米级孔结构的石墨烯相关材料［12］. 近年来，为了满足不同应用的需要，人们致力于开发各种形貌、结构和性能的多孔石墨烯的合成方法. 目前一般将其制备方法分为自组装法、模板辅助法和直接沉积法三大类［13］. 1.1 自组装法自组装法是获得三维多孔石墨烯最常用的策略之一. 目前已经开发了许多基于该策略的方法. 自组装法［14］是指基本结构单元（分子、纳米材料、微米或更大尺度的物质）在一定条件下自发形成有序结构的一种技术. 在自组装的过程中，基本结构单元在基于非共价键的相互作用下自发的组织或聚集为一个稳定、具有一定规则几何外观的结构.但是，石墨烯液相分散性差、化学活性低，因此以石墨烯为原料的进行自组装存在一定的困难. 作为石墨烯重要的衍生物（氟化石墨烯［15-16］、氢化石墨烯［17-18］和氧化石墨烯［19-20］）之一——氧化石墨烯，由于其片层之间的范德华吸引力与其表面官能团的静电排斥力之间存在力平衡，这使得氧化石墨烯在水性溶剂中很好地分散.与石墨烯相比，氧化石墨烯克服了上述缺点，是实现石墨烯自组装的优选材料. 通过氧化石墨烯分散体的凝胶化过程和后还原过程来产生三维多孔石墨烯网络状结构是最典型的自组装方法. 目前引发氧化石墨烯分散体凝胶化的方法很多，如加入交联剂（如PVA、DNA、金属离子、聚合物及有机分子等）、加入弱还原剂（如硼氢化钠、柠檬酸钠、维生素C、氢碘酸等）改变分散体系的pH或者对分散体进行超声波处理［21］. 除了凝胶化这一基本方法外，氧化石墨烯片层的自组装还可以通过冷冻干燥法、电化学沉积法、流延成型法、真空抽滤法和溶胶凝胶法等其他方法实现. 然后通过水热法或者化学还原法获得还原石墨烯（rGO）结构的三维多孔石墨烯. Kumar［22］等采用一锅微波法合成了三维Fe3O4/rGO杂化材料，如图1所示. 研究表明这种杂化材料的三维网状结构是由Fe3O4纳米粒子诱导形成的，且该材料具有优异的电化学性质，比电容达455 F/g、扫描速度达8 mV/s以及良好的循环稳定性.图1 一锅微波法合成三维Fe3O4/rGO杂化材料流程图［22］Fig.1 The procedure of Fe3O4/rGO composite materials synthesized by one-pot microwave approach［22］1.2 模板辅助法模板法是制备微孔或中孔最有效的途径之一. 与自组装法相比，采用模板辅助法可以更准确地控制多孔石墨烯的微观形貌和孔结构尺寸. 目前已经报道的制备多孔石墨烯的模板辅助法有化学气相沉积（CVD）法、冰模板法、高分子聚合物法、水滴模板法等.Li［23］以NiCl2·6H2O作为多孔Ni骨架的催化剂前躯体，在600 ℃、Ar/H2气氛中还原前躯体形成3D多孔交联的Ni骨架，以多孔Ni骨架为模板，使用甲烷为碳源，采用快速CVD法在几秒钟到几分钟内进行高效生长，在生长过程中经高温退火，最后通过在FeCl3/HCl溶液中刻蚀掉模板制备了高密度的多孔石墨烯（3D-GMO），如图2所示. 这种3D-GMO具有高电导率（12 S/cm）、大比表面积（560 m2/g）以及对重金属离子具有超高的吸附容量（Cd2+434 mg/g、Pb2+882 mg/g、Ni2+1683 mg/g、Cu2+3820 mg/g）和快速解析的特点. 另外，泡沫镍、阳极氧化铝（AAO）、MgO、金属纳米结构甚至金属盐也可作为模板制备3DGM.图2 商业镍泡沫生长石墨烯和多孔交联镍生长石墨烯的比较［23］Fig.2 Comparison between commercial Ni foam-grown graphene and our porous cross-linked Ni-grown graphene［23］注：a，b是泡沫镍去除前后；c，d多孔交联镍刻蚀前后.此外，还可以另一种方便的方式获得三维多孔石墨烯. 通过将氧化石墨烯片组装到3D模板上，然后将氧化石墨烯还原为还原石墨烯. 目前已经发展了许多组装技术，如电泳沉积、浸渍涂覆、高压釜回流模板辅助冷冻干燥等. 这些方法中使用的模板除了金属基底还可以是非金属基底，已报道的非金属包括二氧化硅纳米颗粒（NPs）、聚苯乙烯（PS）微球、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）微球、Nafion支架、纤维素和纺织纤维等都可以作为制备了三维多孔石墨烯的模板［24-25］.图3 模板法制备的三维空心碳结构的过程Fig.3 The procedure for the preparation of three-dimensional hollow carbon structures by template methodHan［26］等报道了一种具有高效吸附性能的三维多孔石墨烯材料的制备方法. 通过采用模板辅助冷冻法和热还原法制备了具有优异热稳定性和大比表面积的亚微米级多孔石墨烯材料. Moon［27］等报告了一种合成良好控制的三维碳纳米结构方法，如图3所示. 他们采用氧化石墨烯为原料、球形的氧化铝包覆二氧化硅（ACS）为模板，通过氧化石墨烯在ACS的氧化铝催化位点聚合，然后在高温900 ℃、Ar 气氛下碳化形成石墨烯填充球形模板周围的复合物，最后HF刻蚀获得了三维空心碳机构的方法. 他们还发现根据氧化石墨烯的含量可以系统地调整复合材料的形貌（从层状复合材料到三维中孔结构，再到微孔材料）. 由此获得的高比表面积和高孔隙率的复合材料在高电流密度下能显著提高其电容.1.3 直接沉积法通过在导电衬底上直接沉积获得三维多孔石墨烯结构是一种简单的方法. 目前已经有研究者采用等离子体技术在金和不锈钢衬底上进行直接沉积，获得了牢固附着在衬底上的三维多孔石墨烯. 这种多孔石墨烯在片层边缘有众多的活性位点适合于传感应用. Mao［28］等制备了一种生物传感器，该生物传感器由在金电极上垂直生长的石墨烯片和抗体偶联物组成，可以提供免疫球蛋白2 ng/mL的低检测限. 此外，具有设计特征的金属衬底也可以容易地控制三维多孔石墨烯结构，这可能使得能够针对不同的应用构建各种传感器结构.除上述三类办法外，在最近的一项工作中，Niu［29］等采用所谓的“发酵”策略，类似于烘焙面包的过程来制备多孔石墨烯膜，其中致密的氧化石墨烯膜充当“面团”的作用. 采用AAO（氧化铝）膜过滤氧化石墨烯分散液，然后从AAO膜上剥离获得氧化石墨烯薄膜. 然后在90 ℃高压釜中放置10 h后，还原石墨烯膜上形成大量气孔，这是由于GO的还原使气相物质从致密膜中快速释放. 由于石墨烯的多孔结构和疏水性，与没有孔结构的石墨烯膜相比，该多孔石墨烯膜对有机溶剂如机油和石油的吸附能力有所提高.2 多孔石墨烯的应用2.1 超级电容器超级电容器具有功率密度高、循环寿命长、快速充放电等优点，具有广阔的应用前景［30］. 活性炭、碳纳米管、石墨烯等材料以其低成本、高导电性、高比表面积等特点被广泛应用于超级电容器电极的构造. 但是，由于π-π层叠的相互作用和范德华在基平面间的吸引，氧化石墨烯或石墨烯片趋向于形成层叠石墨烯结构，导致其表面积的显著损失. 氧化石墨烯或石墨烯片的重新填充和聚集也阻碍了石墨烯材料在许多应用中的大规模使用和工艺，特别是用作储能器件，将导致电解质离子难以进入密集填充的石墨烯片材之间的间隙［31］.三维多孔石墨烯的独特性能和多孔结构不仅提高了电解质对电极表面的易接触性，而且为电极表面修饰的活性物质提供了导电通道，提高了电化学性能.为了改善三维多孔石墨烯超级电容性能，人们已经广泛地探索出了由具有高理论电容的电容材料（如金属氧化物导电聚合物）和三维多孔石墨烯组成的复合多孔石墨烯电极. 该复合电极具有较高的比容量和能量密度以及具有较好的倍率性能和较长的循环寿命［32］. 复合材料的超级电容器性能的提高通常来自于石墨烯和其他组分的协同作用. 具体为：首先，电容材料不仅对整个复合电极产生伪电容，而且还起到了隔离材料的作用. 石墨烯片之间的间隙，导致电解液对电极的可获得性的提高. 第二，互连的石墨烯片为复合材料提供导电通道，使得复合材料中的电荷传输迅速，并且在高充放电电流密度下保持了电极的良好性能［33］.2.2 气体分离净化从当前研究水平和技术水平来看，无论是科学研究还是工业应用，对高纯气体（如He、Ar或H2等）需求量很大. 与传统的气体分离方法（如低温蒸馏、变压吸附）相比，膜分离具有较低的能源成本、对使用规模要求低并且具有较少的机械复杂性［34］. 气体膜分离的原理是根据不同气体的扩散速率差异进行的. 目前已开发的各种传统膜，包括金属、沸石、聚合物等［35-36］，其膜厚度范围在10～103 nm. 但是，膜的透过性与它的厚度成反比，这在一定程度上制约了其分离性能. 只有一个原子厚度的石墨烯被认为是理想的膜分离材料［37］.但是，即使是最小的气体原子氦，完美的石墨烯也是不可渗透的（因为密集填充的蜂窝状晶格足够防止任何原子和分子穿过它）. 为了探索石墨烯潜在的高渗透性，在石墨烯中引入孔隙是必要的. Bieri［38］等成功合成聚苯型多孔石墨烯，这种多孔石墨烯只有一个原子厚度、具有按规律排布的孔以及均匀的空隙大小，在气体净化中开始应用.2.3 储氢材料氢气作为可再生能源具有储量丰富、清洁、高效的特点而备受关注，预计在未来将是主要能源. 但是，氢气制造业面临的最大挑战是寻找一种安全有效储氢材料. 石墨烯具有高体积密度，氢气分子可以吸附在石墨烯的两侧［39］. 但是，在石墨烯片层和氢气之间范德华力相互作用比较弱，这会导致其储氢性能下降. 引入杂原子，特别是金属原子被认为是一种增强石墨烯片层和氢气相互作用的方式［40］. 多孔的石墨烯有助于避免金属聚集现象产生. Du［41］等研究者采用第一原理计算研究Li修饰的多孔石墨烯的储氢性能，并预测金属修饰多孔石墨烯是一种有前途的储氢材料. Reunchan［42］采用第一原理计算研究了不同金属原子在多孔石墨烯吸附氢分子（H2）中的作用. 对每个金属原子在多孔石墨烯中的结合位点和结合能进行研究计算，结果表明H2在碱金属、碱土金属或过渡金属分别修饰的多孔石墨烯介质表现出不同吸附特性. 其中钙修饰的多孔石墨烯被认为是大容量储氢材料. Ao［43］将铝修饰多孔石墨烯作为储氢材料对其进行密度泛函计算. 结果表明，铝修饰的多孔石墨烯的储氢容量为10.5 wt%，氢吸附能从1.11 eV降低到0.41 eV，在常压下氢气可实现有效的存储/释放. 此外，该研究还发现由于不同吸附位点的吸附能量不同，氢气可以分三个阶段逐渐释放，这在实际储氢应用中是理想的. 并且通过对体系的原子电荷、电子分布和态密度的分析研究，剖析了铝原子修饰的多孔石墨烯改善储氢性能的机理.2.4 DNA检测快速、低成本、可靠的DNA测序是近年来人们最受好评的创新之一，它可以为高通量、无标记、廉价的个性化基因组测序技术铺平道路［44］. 生物纳米孔材料与传统材料相比由于具有使用成本低、分辨率高、操作简单等优点有望成为下一代DNA测序的有力工具. 已报道的研究发现单链RNA和DNA分子在电场作用下可以通过纳米通道以及四种DNA碱基或核苷酸在纳米孔中不同程度地阻碍了离子电流，导致测量电流下降的现象［45-46］. Schneider［47］等也证实了随着电流变化，单个DNA分子会通过纳米孔时迁移. 这些开创性的基础研究为纳米孔相关DNA测序奠定了坚实的基础. 导电性能好、机械强度高的含有纳米级孔的石墨烯可被用于DNA分子的检测［48-49］. Yu［50］课题组采用全原子分子动力学模拟方法研究了四种不同DNA链在功能化石墨烯纳米孔中的易位行为. 结果发现当四种DNA碱DNA碱基通过氢化孔和羟基化孔时，它们可以通过不同的离子电流来识别. 对于氢化纳米孔，四个碱基的离子电流差异主要归因于碱基和离子之间不同的静电相互作用. 对于羟基化纳米孔，除了静电相互作用外，核苷酸在纳米孔内的位置和离子在核苷酸周围的停留时间也对离子电流起重要作用. Prasongkit［51］等提出使用石墨烯中的线缺陷来改善基于纳米孔的DNA测序装置中的核糖核酸酶的选择性. 他们使用量子力学/分子力学和非平衡格林函数相结合的方法来研究电导调制. 通过大量从分子动力学模拟中产生的不同取向的采样研究，从理论上证明了基于石墨烯的电子器件利用线缺陷来区分四个核苷酸酶是可能的. 该研究有助于今后更好地设计一种新的DNA测序装置.3 结语三维多孔石墨烯材料已被证明具有广阔的研究价值. 到目前为止，已有一系列结构不同、功能各异的三维多孔石墨烯被报道. 这些新型材料不仅保留了单个二维石墨烯片的固有特性，而且也探索了多孔石墨烯实际应用的可能性. 但是，多孔石墨烯的可控制备和推广应用方面仍存在不少技术瓶颈，有一些关键问题尚未解决. 未来面对的挑战有：①如何精确控制多孔石墨烯的孔隙形貌；②不同孔隙的协同作用可使多孔石墨烯材料发挥优势，因此如何控制不同的空隙（即微孔、中孔和大孔）组合对多孔石墨烯是至关重要的；③多孔石墨烯制备原料内容单一，目前主要致力于制备具有无机和碳组分的多孔石墨烯. 这些问题在一定程度上限制了其实际应用领域的扩展. 基于当前的研究工作显示，挖掘多孔石墨烯的非凡潜力并不是很难的事情. 随着科学技术的不断发展和探索，合成具有可控孔结构的多功能多孔石墨烯材料必将成为石墨烯材料的研究热点. 而且，多孔石墨烯材料在能量转换和存储设备中各项性能优良，我们相信这些设备的商业化会在不久的将来实现.【相关文献】［1］ NOVOSELOV K S，GEIM A K，MOROZOV S V，et al. 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郭守武教授课题组在石墨烯材料研究方面取得新进展

郭守武教授课题组在石墨烯材料研究方面取得新进展郭守武教授带领上海交通大学微纳科学技术研究院的老师，经过近五年的系统研究，在石墨烯的制备和应用探索方面取得了一系列突破，发表的相关论文在国际上产生了一定的影响。

石墨烯是由碳原子六方键合而成的理想二维晶体，具有独特的化学、物理和机械性质，在材料、能源、生物医学等领域有着潜在的应用价值。

然而，如何可控且规模化制备高质量石墨烯，特别是其层数和二维侧向尺寸（lateral size）的控制方面，一直是该领域亟待解决的一个科学和技术难题，这不仅制约了人们对石墨烯本征性质的认识，也制约着其在生产实际中的应用。

郭教授课题组首次利用维C作为还原剂制备得到能在水溶液中稳定分散的化学还原氧化石墨烯（Chem. Commun.,2010, 46, 1112，该文已被引用120多次），在此基础上开发了适宜于工业化放大的羟胺还原制备石墨烯的方法（J. Phys. Chem. C，2011, 115, 11957）。

在石墨烯二维侧向尺寸调控方面，该团队创新性地以著名的光辅助费顿（P hoto–Fenton）反应为基础，发展了快速宏量制备二维侧向尺寸可控的石墨烯材料，包括不同尺寸的石墨烯量子点的技术和相应的工艺（其成果在影响因子达11.34的ASC NANO上发表）。

该工作引起了国际同行的关注，课题组正应邀为ChemPhysChem，Nanotechnology等期刊撰写相关领域的综述文章。

同时，他们将自己制备的化学还原氧化石墨烯应用在锂离子电池电极材料中，该材料组装成的电池体现出优异的充放电性能。

相关技术已获得国家发明专利授权2项，并已得到相关企业的资金投入，目前正在开展石墨烯及锂离子电池电极材料规模化生产的前期研究工作。

课题组还与华东理工大学药学院张井岩教授课题组和本院崔大祥教授课题组在石墨烯生物学效应及其应用领域方面开展了卓有成效的合作研究。

以石墨烯和氧化石墨烯材料为基质，组装出了新型固载酶催化体系，并系统研究了其生物催化和传感特性，部分研究结果已先后发表在Langmuir（2010, 26，6083），J. Phys. Chem. C（2010,114, 8469）和Sm all（2012, 8, 154）等杂志上，并被Materials views网站专题报道。

多孔石墨烯技术调研及研发方案

多孔石墨烯制备技术调研1.光蚀刻法利用高能的电子束、离子束或光子束轰击石墨烯片层，把碳原子从晶格中轰击出来，形成孔洞缺陷的方法。

缺点：操作成本高，高能粒子会破坏周围碳原子的排列，影响其对导电离子的运输能力。

有研究将石墨粉在异丙醇里超声处理48h，然后离心去上层清液在微珊上自然晾干，通过扫描电子显微镜对石墨烯进行蚀刻，可在石墨烯表面形成直径小于10nm的孔。

其中：1.常规石墨烯造孔条件苛刻（高温、高压、催化剂）且常涉及强氧化剂（HNO 3和KMnO 4），后续处理仍高温退火或还原剂（N 2H 4、H 2、NH 3、NaBH 4等），制备效率低下，且对环境造成严重污染。

2.制备一种硼氮共掺杂多孔石墨烯的制备方法，水蒸气的弱氧化性对孔边缘进行功能化修饰，从而制备多孔石墨烯，可实现精准的孔调控和规模化制备。

丰富的纳米孔结构能够提供大量活性位点，促进B、N双原子掺杂的同时提高电解液离子（H +/SO 42-）和溶解小分子（N 2/NH 3）的传递，从而制备出高效的硼氮掺杂多孔石墨烯催化剂用于N 2 还原催化。

3.国家纳米科学中心的韩宝航研究员课题组将石墨烯氧化物和金属氧酸盐或多金属氧酸盐在高温条件下产生石墨烯与金属氧化物纳米颗粒，两者之间发生类似于焦炭高炉炼铁过程中的碳热还原反应，金属氧化物被石墨烯上的碳还原成金属或形成金属碳化物，而参与碳热还原反应的碳原子以二氧化碳或一氧化碳形式离开石墨烯片层，从而在石墨烯片层上刻蚀出纳米级的孔隙，即形成多孔石墨烯2.碳热还原法将氧化石墨烯中的碳作为还原剂，还原金属氧化物的到金属单质，而碳原子被蚀刻。

参考文献：1.KOH高温蚀刻方案：石墨烯+KOH溶液，室温下磁力搅拌12h，并静置24h，抽滤得到滤渣，高温氩气环境下800℃1h处理，再用HCL（3%）溶液和蒸馏水洗涤多次，干燥，得到多孔石墨烯------引自《多孔石墨烯的制备及其吸附性能》，2014年2.使用KOH活化微波剥离石墨烯，通过控制活化温度控制孔隙结构的形成，其中，400℃左右为活化初始阶段温度，氧化还原反应开始蚀刻石墨烯片层，石墨烯片层上开始产生纳米尺寸的孔洞和缺陷，温度＞550℃，大量反应产生的孔洞相互连接，逐渐过渡形成三维孔道结构，当温度到800℃时，片状石墨烯已经被完全重构成三维多孔碳材料。

石墨烯材料的物理与化学性质的研究进展

石墨烯材料的物理与化学性质的研究进展石墨烯是一种由碳原子构成的二维材料，具有极高的强度、导电性和导热性，并且具有非凡的物理和化学性质。

自2004年以来，石墨烯的相关研究一直是材料科学领域中最具活力和发展潜力的研究之一。

本文将就石墨烯材料的物理与化学性质的研究进展进行探讨。

一、石墨烯的物理性质1.导电性石墨烯具有出色的导电性，是迄今为止最佳的导电材料之一。

由于本构结构的特殊性质，石墨烯具有强大的电子传输能力，使其能够实现高速电子传输，并在电子器件中发挥重要作用。

2.强度和刚度石墨烯是一种具有极高强度和刚度的材料。

其平均强度是钢铁的200倍，因此具有非常高的抗压和抗拉能力。

这些特性使它成为未来材料发展领域的热点之一。

3.热导率石墨烯具有极高的热导率，是钻石的几倍，挑战了经典Fourier热传导定律，该定律无法解释石墨烯非常显著的热导率。

这使得石墨烯成为热传导性能研究的热点对象。

二、石墨烯的化学性质1.化学反应性石墨烯在氧化、硝化、氢化等化学反应中表现出良好的反应性。

例如，氧化后的石墨烯可以制成石墨烯氧化物，具有比石墨烯更好的导电性和导热性，并有望在透明导电膜、电存储器以及生物传感器等领域得到广泛应用。

2.表面功能化石墨烯表面的化学修饰可以改变其表面特性，如润湿性、分散性和反应活性，增强其化学可用性。

例如，将石墨烯表面修饰为羟基、胺基、硫基等功能化基团后，能够制备出更优异的光催化材料，并在光催化分解有机污染物等方面有着广泛应用。

三、石墨烯的应用前景1.电子器件由于石墨烯具有卓越的导电性能，所以它被广泛应用于电子器件领域。

例如，石墨烯晶体管、柔性电子器件、透明导电膜等都是石墨烯电子器件的典型应用之一。

2.能源材料石墨烯在能源材料领域的应用十分广泛，如锂离子电池、超级电容器、电催化等。

例如，石墨烯锂离子电池的电极材料可以大大提高电池的能量密度和循环性能，在电动车、移动设备等方面得到广泛应用。

3.光电材料石墨烯在光电材料领域的应用也越来越受到关注，如光催化材料、透明导电膜、光电探测器等。

石墨烯复合材料研究进展

石墨烯复合材料研究进展摘要：近年来石墨烯因其优良的力学、电学、热学和光学等特性, 且添加到基体材料中可以提高复合材料的性能，拓展其功能，因此石墨烯复合材料的制备成为研究热点之一。

本文介绍了国内外对石墨烯复合材料的研究，对石墨烯复合材料的研究进展及现状进行了详细的介绍，并对石墨烯复合材料的发展趋势进行了展望。

关键词：石墨烯；复合材料；研究进展一、引言石墨烯因其优异的物理性能和可修饰性, 受到国内外学者的广泛关注。

石墨烯的杨氏模量高达1TPa、断裂强度高达130GPa，是目前已知的强度性能最高的材料，同时是目前发现电阻率最小的材料, 只有约10-8Ω·m；拥有很高的电子迁移率，且具有较高的导热系数。

氧化石墨烯作为石墨烯的重要派生物，氧化石墨烯薄片在剪切力作用下很容易平行排列于复合材料中, 从而提高复合材料的性能。

本文总结介绍了几种常见的石墨烯复合材料。

二、石墨烯复合材料（1）石墨烯及氧化石墨烯复合材料膜聚乙烯醇（PVA）结构中有非常多的羟基，因此其能与水相互溶解，溶解效果很好。

GO和PVA都可以在溶液中形成均匀、稳定的分散体系。

干燥成型后，GO在PVA中的分散可以达到分子水平，GO表面丰富的含氧官能团可以与PVA的羟基形成氢键，因此添加少量的GO可以显著提高复合材料的力学性能。

樊志敏[1]等制备出了氧化石墨烯纳米带/TPU复合膜。

通过机械测试显示，当加入氧化石墨烯纳米带的量为2%时，复合薄膜的弹性模量和抗拉强度与不加氧化石墨烯纳米带的纯TPU薄膜相比都得到了非常大的提高，分别提高了160%和123%。

马国富[2]等人发现，在聚乙烯醇（PVA）和氧化石墨烯（GO）复合制备的得复合薄膜中，GO均匀的分散在PVA溶液中，PVA的羟基与GO表面的含氧基团发生相互作用复合而不分相。

加入GO之后，大大提高了复合膜的热稳定性，当加入的GO量为3%时，纳米复合膜力学性能测试出现最大值，此时断裂伸长率也出现了最大值，这表明在此GO含量时复合膜有最佳性能；与不加GO的纯PVA膜相比，当加入的GO量为3%时，耐水性也大大地提高。

石墨烯复合材料的制备及应用研究进展

石墨烯复合材料的制备及应用研究进展一、本文概述石墨烯，作为一种新兴的二维纳米材料，因其独特的电子结构、优异的物理和化学性能，在复合材料领域引起了广泛的关注。

石墨烯复合材料结合了石墨烯和其他材料的优点，使得这种新型复合材料在力学、电学、热学等方面表现出色，因此具有广阔的应用前景。

本文旨在综述石墨烯复合材料的制备方法、性能特点以及在不同领域的应用研究进展，以期为石墨烯复合材料的进一步研究和实际应用提供理论支持和参考。

本文将首先介绍石墨烯及其复合材料的基本概念和特性，然后重点综述石墨烯复合材料的制备方法，包括溶液混合法、原位合成法、熔融共混法等。

接着，文章将探讨石墨烯复合材料在能源、电子、生物医学、航空航天等领域的应用研究进展，分析其在提高材料性能、降低成本、推动相关产业发展等方面的重要作用。

本文还将对石墨烯复合材料未来的研究方向和应用前景进行展望，以期推动这一领域的持续发展和创新。

二、石墨烯复合材料的制备方法石墨烯复合材料的制备方法多种多样，每一种方法都有其独特的优点和适用范围。

以下是几种主要的制备方法：溶液混合法：这是最简单且最常用的方法之一。

首先将石墨烯分散在适当的溶剂中，然后通过搅拌或超声处理使其均匀分散。

接着，将所需的基体材料（如金属氧化物、聚合物等）加入溶液中，通过搅拌或热处理使石墨烯与基体材料充分混合。

通过过滤、干燥等步骤得到石墨烯复合材料。

这种方法操作简便，但石墨烯在溶剂中的分散性和稳定性是关键因素。

原位生长法：这种方法通常在高温或特定气氛下进行，利用石墨烯与基体材料之间的化学反应，使石墨烯在基体材料表面或内部原位生长。

例如，通过化学气相沉积（CVD）或热解等方法，在金属氧化物或聚合物表面生长石墨烯。

这种方法可以得到石墨烯与基体材料结合紧密、性能优异的复合材料，但操作过程较复杂，且需要特殊的设备。

熔融共混法：对于高温稳定的基体材料，如金属或某些聚合物，可以采用熔融共混法制备石墨烯复合材料。

2024年石墨烯报告研究

2024年石墨烯报告研究•石墨烯概述与基本特性•2024年石墨烯市场现状及趋势分析•石墨烯在能源领域应用研究进展•石墨烯在生物医学中应用前景探讨目•石墨烯在复合材料中增强作用研究•挑战、机遇与政策建议录石墨烯概述与基本特01性石墨烯定义及结构石墨烯定义石墨烯是一种由单层碳原子以sp2杂化方式形成的二维材料，具有蜂窝状晶格结构。

结构特点石墨烯的每个碳原子通过σ键与相邻的三个碳原子连接，形成稳定的六边形结构；剩余的π电子形成离域大π键，赋予石墨烯优异的电学和热学性能。

电学性能石墨烯具有零带隙半导体特性，载流子迁移率高，电导率高。

热学性能石墨烯具有极高的热导率，优于大多数已知材料。

力学性能石墨烯的强度极高，是已知材料中强度最高的之一。

化学稳定性石墨烯具有较高的化学稳定性，但在特定条件下可发生化学反应。

基本物理和化学特性利用胶带反复剥离石墨片层，得到单层或多层石墨烯。

机械剥离法在高温下，利用含碳气体在金属基底上分解生成石墨烯。

化学气相沉积法（CVD ）通过化学方法将石墨氧化成氧化石墨，再还原成石墨烯。

氧化还原法利用溶剂与石墨之间的相互作用力，将石墨剥离成单层或多层石墨烯。

液相剥离法制备方法简介石墨烯可用于制造高速、高灵敏度的电子器件，如晶体管、传感器等。

电子器件能源存储与转换复合材料生物医学石墨烯可用于制造高性能的电池、超级电容器等能源存储器件，以及燃料电池等能源转换器件。

石墨烯可与其他材料复合，提高复合材料的力学、电学、热学等性能。

石墨烯可用于生物医学领域，如生物成像、药物输送、组织工程等。

应用领域概览2024年石墨烯市场02现状及趋势分析全球市场规模与增长趋势市场规模根据研究数据，2024年全球石墨烯市场规模已达到数十亿美元，并且呈现出快速增长的态势。

增长趋势随着石墨烯制备技术的不断成熟和应用的不断拓展，预计未来几年全球石墨烯市场将继续保持高速增长，年复合增长率有望达到20%以上。

中国作为全球最大的石墨烯生产国，中国在石墨烯领域的研究、开发和产业化方面取得了显著进展，已形成了完整的产业链和庞大的市场规模。

石墨烯的研究进展

石墨烯的研究进展刘乐浩，李铁虎，赵廷凯，王大为(西北工业大学材料科学与工程学院，西安710072)摘要石墨烯是碳的又一同素异形体，具有独特的二维结构和优异的力学、电学、光学、热学等性能，成为富勒烯和碳纳米管之后的又一研究热点。

全面综述了近几年来石墨烯的制备方法，洋细讨论了微机械剥离法、化学剥离法、化学合成法、外延生长法、电弧法、化学气相沉积法的优缺点，并针对制备方法存在的产量低、结构不稳定、高污染等问题，提出了一些大规模可控制备高质量石墨烯的建议。

还结合石墨烯的结构和特性，概括了石墨烯在复合材料、微电子、光学、能源、生物医学等领域的应用进展，并展望了其主要研究方向和发展趋势。

关键词石墨烯制备方法应用中图分类号：〇613. 71 文献标识码：Research Progress on GrapheneLIU Lehao，LI Tiehu，ZHAO Tingkai，WANG Dawei (School of Materials Science and Engineering，Northwestern Polytechnical University，Xi，an 710072)Abstract As an allotrope of carbon，graphene has become a research hotspot due to its unique two-dimensional structure and excellent mechanical，electrical，optical and thermal properties. Synthesis of graphene via different approaches ，such as micro mechanical stripping， chemical stripping， chemical synthesis， epitaxial growth， arc dis- charge，and chemical vapor deposition， are discussed in detail， and strategies for producing homogeneous graphene with improved yield and structural stability while limiting its pollution are proposed. Also application progress of gre- phene in polymer composites，micro electronics， optics， energy and biomedicine are summarized， and the main research direction and development trend are imagined.Key words graphene，preparation methods，applicationo引言富勒烯[1]和碳纳米管[2]已经成为碳材料研究的热点，而在2004年，Geim等[3]又发现了碳的又一同素异形体——石墨烯（Graphene)。

石墨烯材料在各个领域应用的进展

石墨烯材料在各个领域应用的进展1复合材料石墨烯由于具有极高的力学性能和电学性能，在作为聚合物基体的加强功能化添加剂方面被认为据有广泛的讨论前景。

2023年美国西北大学的Stankovich和RuofjF等人在Nature上报道了薄层石墨烯．聚苯乙烯纳米复合材料。

该讨论小组首先使用苯基异氰酸酯对完全氧化的石墨烯进行化学亲油改性，使之剥离和分散在有机溶剂中。

剥离的石墨烯均匀分散在聚苯乙烯溶液中，加入少量还原剂即可恢复石墨片层的导电性。

在还原过程中，聚苯乙烯的存在有效地阻拦了石墨纳米片层的聚集，这是该方法成功的关键。

该复合材料具有较低的渗阀值，在0.1％的体积分数下即可以导电，1％体积分数下导电率可达0.1Sm—1，可广泛应用于电子材料。

氧化态石墨烯只有在还原情况下才能发挥其优异的电学和力学行能，为了解决氧化石墨烯原位还原制备复合材料过程团聚现象的发生，加添石墨烯在各种聚合物单体中的浸润性，Stankovich利用苯乙烯磺酸钠包覆氧化态石墨烯，降低了石墨烯之间的接触面积，从而阻拦其在还原过程中不可逆自聚。

Haddon所领导的小组制备了石墨烯．环氧树脂纳米材料。

首先制备石墨烯的丙酮分散液，与环氧树脂均匀混合固化后得到复合材料。

热导率测试表明厚度小于2nm的石墨烯片特别适合作为环氧树脂的填料，在添加量达到25％时，热导率可以提升3000％，达6.44WmoKl。

复合材料杰出的热导性能重要由石墨烯的二维单原子层结构，高的纵横比，硬度和低的热界面阻力。

但该方法使用了溶剂，使得在所得复合材料中有显现微纳孔洞的可能。

石墨烯的添加不仅有利于聚合物基体电性能，热传导性能的改善，对于提高玻璃化变化温度，复合材料力学性能也具有重点意义。

Ruoff和Aksay等人在聚丙烯腈及聚甲基丙烯酸甲酯中加入仅1％及0.05％的石墨烯纳米片后，发觉他们的玻璃化变化温度提升30℃，此外包括杨氏模量，拉伸强度，热稳定性等一系列力学及热学性质得到提高。

石墨烯的研究进展

石墨烯的研究进展石墨烯是一种二维自由态原子晶体，具有极佳的导电特性、导热特性、光学特性、机械特性，在各个不同的学科领域得到了大量探索和研究。

论文阐述了石墨烯的结构、特性、应用进展以及石墨烯具有的优缺点，并对石墨烯的应用提出了建议。

【Abstract】The graphene is a kind of two-dimensional free atom crystal with excellent conductivity，thermal conductivity，optical and mechanical properties. It has been explored and researched much in various subjects areas. In this paper，the structure，properties and application of graphene and its advantages and disadvantages are discussed. Paper puts forward the proposal for the graphene application.标签：石墨烯；结构；性质；应用1 引言石墨烯（Graphene）是一种由碳原子以sp2杂化方式形成的蜂窝状平面薄膜，是当前发现的唯一一种二维自由态原子晶体，是除金刚石以外其他碳晶体的基本结构单元，具有许多极佳的电子及机械性能，是当前使用的材料中最薄、强度最大、导电和导热性能最好的一种纳米材料[1]。

近年来，科学界对石墨烯的研究逐渐从石墨烯的制备研究转变到对石墨烯的应用研究，并对石墨烯在光电、医学、计算机晶体管等领域都进行了大量的研究，取得了较好的成果。

2 石墨烯的结构及特性2.1 结构石墨烯是一种单原子层的碳二维纳米材料，其点阵结构是由碳六元环组成的二维蜂窝状，是构成其他石墨材料的基本单元，石墨烯主要分为单层石墨烯、双层石墨烯、少层石墨烯、多层或厚层石墨烯4个类别。

石墨烯基材料的导热性能研究

石墨烯基材料的导热性能研究石墨烯是一种由碳原子组成的单层薄片，拥有很多出色的性能特点，其中之一便是其惊人的导热性能。

导热性能是指材料在受热时能够高效地传递热量的能力。

本文将探讨石墨烯基材料的导热性能及其研究进展。

石墨烯的导热性能主要归功于其特殊的晶格结构。

它是由一个个六角形碳原子构成的，每个碳原子与其周围的三个碳原子形成共价键。

这种结构使得石墨烯在平面方向上具有极高的电子迁移率和热传导率。

研究表明，石墨烯的导热性能比铜还要好。

为了更好地理解石墨烯的导热性能，许多研究人员将其应用于各种基材中，并进行了一系列的热传导实验。

例如，研究人员将石墨烯与聚合物基材混合，在制备出的复合材料中研究导热性能。

通过实验发现，石墨烯的加入显著提高了聚合物基材的导热性能，使其成为潜在的热界面材料。

除了聚合物基材，石墨烯也可以与金属基材相结合，形成石墨烯复合金属材料。

这种复合材料不仅具有石墨烯的导热性能，还保持了金属的机械强度。

这使得石墨烯复合金属材料在热管理领域具有广泛的应用前景。

例如，可以将其用于高能量密度电池的散热系统，以提高电池的性能和寿命。

在石墨烯基材料的导热性能研究中，研究人员还发现了一些有趣的现象。

例如，当石墨烯的厚度减小到几纳米量级时，其导热性能会显著下降。

这是因为薄层石墨烯中的热传导主要依赖于声子传导，而不是电子传导。

随着厚度的减小，声子传导受到了更多的散射，导致导热性能下降。

除了厚度，石墨烯的结构缺陷也会对其导热性能产生影响。

例如，氧化石墨烯中的碳原子上带有氧原子会导致导热性能下降。

这是因为氧原子会干扰石墨烯中的电子传导，限制热量的传递。

因此，在应用石墨烯进行导热性能研究时，研究人员需要考虑这些结构因素对结果的影响。

为了进一步提高石墨烯基材料的导热性能，研究者们正在寻找各种途径。

其中一种方法是通过控制石墨烯的形貌来改变其导热性能。

例如，研究人员通过单层石墨烯的折叠或堆叠来形成多层石墨烯纳米带，发现这种结构在导热性能方面具有优越性能。

石墨烯的研究进展和应用前景

石墨烯的研究进展和应用前景随着科技的发展，人们对新材料的探索也相应得到了提高。

在众多新材料中，石墨烯在近年来备受关注。

其惊人的电学、物理、化学、力学等多方面的性质让科学家们对它的研究充满了热情，同时也带来了广泛的应用前景。

1. 石墨烯的特点石墨烯是一种由碳元素组成的二维材料。

它的特点在于单层结构、高度柔软、超薄且具有高度的机械强度、导电性和热极性，同时也有高电子迁移率和良好的机械柔性。

石墨烯单层的厚度在0.3-0.5nm之间，是碳原子在单元胞中沿平面平移形成的六角网格结构，并以sp2杂化形成。

它的物理特性让石墨烯成为下一代电子学、纳米电子学、材料科学、生物体科学等领域的理想材料之一。

2. 石墨烯的制备方法石墨烯的制备一直是一个热点和难点，从石墨中分离出石墨烯也是目前研究的难点之一。

石墨烯的制备方法主要包括化学气相沉积法、物理气相沉积法、机械剥离法以及溶液剥离法等。

其中，化学气相沉积法是当前最主要的制备方式。

其实现方法为，在石墨表面加热并用气体环境使气体分解，产生碳和其他物种；随后，将碳沉积在金属基底上，形成石墨烯。

物理气相沉积法是以低温的物理操作还原二氧化碳到石墨。

机械剥离法通过对石墨表面进行力度控制，可实现石墨烯的剥离。

溶液剥离法通过溶解或剥离石墨中的小负载杂质，最终实现石墨烯制备。

3. 石墨烯的潜在应用由于石墨烯的非常规结构和独特特性，它在不同领域的应用过程中都显示出各自的潜在优势。

首先，石墨烯具有出色的抗氧化、耐磨性能和良好的导电性，因此在电子器件应用中具有广泛的应用前景。

其次，石墨烯在化学、生物物理、生物传感、芯片技术以及医学探测等领域也拥有巨大的应用前景。

此外，石墨烯还可以用于制备复合材料、增强材料、润滑剂、防腐涂料、聚合物，以及光伏发电等等方面。

总之，石墨烯的研究和应用前景仍有很大的发展空间。

随着石墨烯制备技术的不断改进和大规模生产技术的逐步完善，相信石墨烯将会进一步发挥其潜力，成为21世纪的重要材料之一。

石墨烯研究进展

石墨烯复合材料的研究进展石墨烯以其优异的性能和独特的二维结构成为材料领域研究热点。

本文综述了石墨烯的制备方法并简单介绍了石墨烯的力学、光学、电学及热学性能,并对石墨烯的复合材料应用做了展望。

1制备方法熔融共混法:将原始石墨氧化,经过剥离并还原制成石墨烯,与聚合物在熔融状态下共混制得复合材料。

原位聚合法:将石墨烯与聚合物单体混合,加入引发剂引发反应,最后制得复合材料。

溶液混合法:在溶液共混法中,常常先制备氧化石墨烯,对其进行改性得到在有机溶剂中能够分散的分散液,通过还原得到石墨烯,然后与聚合物进行溶液共混制备石墨烯/ 聚合物复合材料。

乳液混合法:利用氧化石墨烯在水中具有良好的分散性,可将氧化石墨烯的水性分散液与聚合物胶乳进行混合,通过还原制备石墨烯/ 聚合物复合材料。

2性能特点导电性:石墨烯结构非常稳定,迄今为止,研究者仍未发现石墨烯中有碳原子缺失的情况。

石墨烯中各碳原子之间的连接非常柔韧,当施加外部机械力时,碳原子面就弯曲变形,从而使碳原子不必重新排列来适应外力,也就保持了结构稳定导热性能:石墨烯优异的热传输性能可应用于微型电子设备的热管理如导热膏热驱动、形状记忆聚合物等。

机械特性:石墨烯是人类已知强度最高的物质,比钻石还坚硬,强度比世界上最好的钢铁还要高上100倍。

相互作用:石墨烯中电子间以及电子与蜂窝状栅格间均存在着强烈的相互作用。

化学性质: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。

3结论与展望目前,无论是在理论还是实验研究方面,石墨烯均已展示出重大的科学意义和应用价值,且已在生物、电极材料、传感器等方面展现出独特的应用优势。

随着对石墨烯研究的不断深入,其内在的一些特殊性能如荧光性能、模板性能等也相继被发现。

由于石墨烯具有较大的比表面积、径厚比、热导率和电导率,与传统填料相比,石墨烯增强的复合材料具有更加优异的物理性能。

石墨烯的研究现状与发展趋势展望

石墨烯的研究现状与发展趋势展望摘要：石墨烯被称之为是神奇材料和万能材料，作为一种产生于新时代的新型材料，其本身具有着不容替代的电学、力学以及光学性能。

为此，本篇文章主要分析了石墨烯在国内外的研究现状，并对其未来的应用与发展趋势做出了展望。

关键词：石墨烯；研究发展；发展趋势一、前言碳材料在人类的发展进程中起到了重要的作用，作为一种十分常见且应用频率较高的材料，碳家族不仅仅有世界上硬度最高的金刚石，同时也有柔韧性极好的石墨烯。

目前石墨烯在世界范围内得到了高度的重视，由于其本身具有着较强的导电、导热性能，同时还拥有着高强度、高机械性以及超薄等优点，因此无论是在当下还是在未来均有着十分广阔的发展前景。

二、石墨烯国内外研究现状（一）国外鉴于石墨烯具有着如此之多的优良性能，因此世界各国都积极投入到了对石墨烯技术和产业化发展的研究之中。

其中，美国、日本等发达国家已经取得了阶段性的研究成果，并在各大企业中投入应用，例如IBM与三星公司均在利用石墨烯来生产电子产品。

整体而言，石墨烯技术在国际领域中已经发展的相对成熟，并且在多个行业中都有着较为深入的应用，逐渐呈现出了领先地位。

自2013年开始，有关于石墨烯的23个项目逐渐进入到大众视野，欧盟正式对外宣布，在未来十年将会投入10亿欧元和100个研究团队来进行石墨烯技术开发。

在美国，有多达三百多项的石墨烯研发项目正在积极进行，基本每项的投资额度均在10~50万美元。

通过初步了解可知，美国所研发的石墨烯技术重点倾向于体积更小且运行速度更快的电子器件。

而日本对于石墨烯行业的研究投入则更大，国家政府不仅大力支持相关企业与教育机构的研发工作，同时还在行业内投入了大量的研究资金。

其中索尼公司也在积极研究石墨烯薄膜技术，研究成果令人期待。

（二）国内相较于发达国家而言，我国对石墨烯技术的研究也并不落后。

早在2009年，中国科学院就已经正式推出了“石墨烯研究专项”，国家政府不仅给予了这一科研项目以强大的资金与政策支持，科技部也鼓励诸多企业和个人加入到石墨烯的研究队伍中，在很短的时时间内，便在石墨烯领域取得诸多进展。

多孔石墨烯材料的制备研究进展

多孔石墨烯材料的制备研究进展曾旸;何星【摘要】多孔石墨烯材料结合了多孔材料与石墨烯的优点,因其比表面积大、孔结构独特、组成多样、导电性能优异等特点,逐渐成为了石墨烯材料领域的研究热点.因此,为了实现大规模合成高性能的多孔石墨烯材料,本文阐述了多孔石墨烯的制备原理并对多孔石墨烯材料的典型制备方法进行了总结,讨论了各种制备方法存在的优缺点,以及多孔石墨烯材料具备的优势与不足.基于现有的多孔石墨烯制备技术以及对未来发展需求的展望,多孔石墨烯材料的制备及调控将达到分子水平,并且将展现更加巨大的应用潜力.【期刊名称】《广州化工》【年(卷),期】2019(047)007【总页数】3页(P19-21)【关键词】石墨烯;多孔石墨烯材料;材料制备;合成方法【作者】曾旸;何星【作者单位】上海理工大学材料科学与工程学院, 上海 200093;上海理工大学材料科学与工程学院, 上海 200093【正文语种】中文【中图分类】TB321石墨烯(Graphene)，由单层sp2杂化碳原子呈六边形排列的而组成的一种二维碳材料。

由于其独特的结构和性质，石墨烯已逐渐成为最具吸引力的应用材料之一。

石墨烯具有较大的理论比表面积(2630 m2/g)，较高的本征载流子迁移率(2×105 cm2/(V·s))，较高的导热系数[5000 W/(m·K)]，室温下超高的电导率(106 S/m)等优点[1-2]。

多孔材料(Porous materials)，是指内部具有形状大小不同的孔洞的一类材料，由于孔结构的存在，使其不仅能够在表面与各种有机或无机物质相互作用，而且可以通过它们的多孔骨架相互作用，这在物质分离及运输中具有非常突出的优势[3-6]。

多孔石墨烯材料(Porous graphene materials)，通常是指在二维石墨烯基面上具备纳米孔结构或由石墨烯片通过三维堆积形成孔结构的碳材料。

多孔石墨烯材料结合了石墨烯与多孔材料的优点，并且与其他多孔材料相比具有明显的优势。

石墨烯光学性质及其应用研究进展

石墨烯光学性质及其应用研究进展一、本文概述石墨烯，作为一种新兴的二维纳米材料，自2004年被科学家首次成功剥离以来，便以其独特的物理和化学性质引起了全球范围内的广泛关注。

特别是其光学性质，如强烈的光吸收、独特的电子结构和可调谐的光学响应等，使得石墨烯在光电子器件、太阳能电池、光电探测器、传感器等领域展现出巨大的应用潜力。

本文旨在综述近年来石墨烯光学性质的研究进展，并探讨其在各领域的应用前景。

我们将简要介绍石墨烯的基本结构和光学性质；然后，我们将重点综述石墨烯在光学领域的应用研究，包括但不限于光电子器件、太阳能电池、光电探测器等；我们将展望石墨烯光学性质的研究趋势和应用前景，以期为该领域的发展提供参考和启示。

二、石墨烯的光学性质石墨烯，作为一种二维的碳纳米材料，自其被发现以来，就因其独特的物理和化学性质而备受关注。

其中，石墨烯的光学性质尤为引人注目，为其在光电子器件、光电探测器、太阳能电池等领域的应用提供了广阔的前景。

石墨烯具有极高的光学透明度，单层石墨烯在可见光至红外波段内，透光率高达7%，这使得石墨烯成为透明电极的理想材料。

石墨烯还具有优异的导电性，其载流子迁移率极高，可在高速光电器件中发挥巨大作用。

石墨烯的特殊光学性质还表现在其独特的光与物质相互作用上。

由于石墨烯中的电子在强光场下可以被激发形成等离激元，这使得石墨烯在光调制、光探测等方面展现出独特的优势。

通过调控石墨烯中的等离激元，可以实现光的高效吸收和调制，为光电子器件的小型化和集成化提供了可能。

近年来，研究者们还发现了石墨烯在非线性光学领域的潜在应用。

石墨烯的非线性光学响应强烈，可以在强光激发下产生显著的非线性效应，如光学双稳态、光学限制等。

这些非线性光学性质使得石墨烯在超快光开关、全光信号处理等领域具有巨大的应用潜力。

石墨烯凭借其独特的光学性质，在光电子领域的应用前景广阔。

未来随着石墨烯制备技术的不断发展和完善，其在光电器件、光电探测器、太阳能电池等领域的应用将会更加深入和广泛。

多孔石墨烯材料简介、特性及应用详解

多孔石墨烯材料简介、特性及应用详解多孔石墨烯是指在二维基面上具有纳米级孔隙的碳材料，是近年来石墨烯缺陷功能化的研究热点。

多孔石墨烯不仅保留了石墨烯优良的性质，而且相比惰性的石墨烯表面，孔的存在促进了物质运输效率的提高，特别是原子级别的孔可以起到筛分不同尺寸的离子/分子的作用。

更重要的是，孔的引入还有效地打开了石墨烯的能带隙，促进了石墨烯在电子器件领域的应用。

本文主要介绍多孔石墨烯的一些基本性质和特性，并对其理论研究、制备方法和应用的研究进展进行了评述。

图1 多孔石墨烯材料结构示意图多孔石墨烯（PG）又称石墨烯筛（GNM）是指在二维基面上具有纳米孔的碳材料。

大量的理论和计算表明，PG中的孔是碳原子从晶格中被移除或者转移到表面而留下的空位，其本身是一种缺陷。

对Gr进行高能粒子辐射、化学处理都会导致这种缺陷的产生。

在制备的过程中，由于缺陷会影响Gr的电学性质、磁学性质和机械性质，尤其在电学性质中，缺陷造成载流子和声子散射，减少了传输路径，从而影响载流子的迁移率，因此需要尽量保持晶体结构的完整性。

但孔缺陷并不都有弊，相反，孔缺陷还可以使Gr获得一些新的功能。

如，的理论比表面积高达2640m2/g，但由于π-π电子的作用，很容易产生团聚，导致比表面积会出现大幅下降，而PG不会产生此种现象。

一、多孔石墨烯的理论基础及特性在Gr中，理想的碳原子排列是六元环结构。

因此，把Gr裁剪成具有一定宽度准一维的纳米材料GNR可以获得两种不同的边缘结构类型——扶手型和锯齿形。

具有锯齿形边缘的石墨烯通常呈金属性，而具有扶手型边缘的既可能呈金属性，也可能呈半导体型，这取决于纳米带的宽度。

实际上，GNR的边缘是不规则的，并不严格遵守两种边缘结构类型。

因为sp2杂化可以将碳原子排列成不同的多边形结构，只要满足特定的对称规律，非六元环的结构就可能出现。

并且，轻微的结构变化都将导致两种边缘类型的GNR在导体性质上无差异。

在PG中，这两种边缘结构是同时存在的，因此PG的电子结构不仅可以由其边缘的类型来决定，还取决于活性边缘的数量。