从碳纳米管到石墨烯——浅谈碳纳米材料的研究进展
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碳纳米管可以被看作是由石墨烯直接无缝卷曲而成的， 根据层数的不同，可 以 分 为 单 壁 碳 纳 米 管 和 多 壁 碳 纳 米 管。 而根据卷曲向量的不同，单壁碳纳米管又可以表 现 出 金 属 性 或半导体性两种特性 。 ［４］ 正是 由 于 这 种 性 质，单 壁 碳 纳 米 管
图 １ 二 维 平 面 结 构 的 石 墨 烯 是 其 他 碳 材 料 的 基本组成单元
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ ｃａｒｂｏｎ ｎａｎｏｔｕｂｅｓ，ｇｒａｐｈｅｎｅ，ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ，ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ
０ 引 言
碳是自然界中极其丰富的元素之 一，也 是 同 素 异 形 体 最 为丰富的元素之一。金刚石和石墨是被大家所熟知的碳的 最常见的两种同素异 形 体。１９８５ 年 富 勒 烯 的 发 现 让 人 们 认 识了碳家族的一位新成员，并促使人们去发现更 多 碳 的 同 素 异 形 体 。１９９１ 年 碳 纳 米 管 的 问 世 进 一 步 丰 富 了 碳 家 族 ，碳 纳 米管因其优异的 电 学、力 学、热 学 和 物 理 化 学 等 性 能 在 众 多 领域都有着潜在的 应 用 前 景，在 过 去 的 ２０ 年 间 受 到 研 究 者 们广泛的关注。２００４年石 墨 烯 的 发 现 在 完 善 碳 家 族 成 员 的 同时也将人们对碳纳米材料的研究推向了一个新的高度。
Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｃａｒｂｏｎ ｎａｎｏｍａｔｅｒｉａｌｓ ｈａｖｅ ｂｅｅｎ ｔｈｅ ｍｏｓｔ ｓｈｉｎｉｎｇ ｓｔａｒｓ ｓｉｎｃｅ ｔｈｅｙ ｈａｖｅ ｍａｎｙ ｆａｓｃｉｎａｔｉｎｇ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ａｎｄ ｐｏｔｅｎｔｉａｌ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ．Ｓｉｎｃｅ ｇｒａｐｈｅｎｅ ｈａｓ ｍａｎｙ ｓｉｍｉｌａｒｉｔｉｅｓ ｗｉｔｈ ｃａｒｂｏｎ ｎａｎｏｔｕｂｅｓ ｏｎ ｔｈｅｉｒ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ａｎｄ ｐｒｏｐｅｒ－ ｔｉｅｓ，ｍａｎｙ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｓｔｒａｔｅｇｉｅｓ ｏｎ ｃａｒｂｏｎ ｎａｎｏｔｕｂｅｓ ｈａｖｅ ｂｅｅｎ ａｄａｐｔｅｄ ｏｎｔｏ ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｇｒａｐｈｅｎｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ．Ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｐｒｏｇｒｅｓｓ ａｂｏｕｔ ｇｒａｐｈｅｎｅ ｓｔｕｄｉｅｄ ｂｙ ｓｔｒａｔｅｇｉｅｓ ｏｎ ｃａｒｂｏｎ ｎａｎｏｔｕｂｅｓ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｉｓ ｒｅｖｉｅｗｅｄ．
Ｆｉｇ．１ Ｇｒａｐｈｅｎｅ ａｓ ｔｈｅ ｂａｓｉｃ ｕｎｉｔ ｏｆ ０Ｄｆｕｌｌｅｒｅｎｅ，１Ｄ ｃａｒｂｏｎ ｎａｎｏｔｕｂｅｓ，ａｎｄ ３Ｄｇｒａｐｈｉｔｅ
二维的石墨烯本身是半金属性，或者 说 是 零 带 隙 的 半 导 体，同时具有金属和半导体的一些特性。而 当 石 墨 烯 的 尺 寸 达到跟单壁 碳 纳 米 管 一 样 的 准 一 维 时 （又 称 为 石 墨 烯 纳 米 带），同样也会根 据 石 墨 烯 带 的 宽 度 和 边 缘 结 构 的 不 同 而 表 现出金属性或者半导体性。紧束缚计算表明锯齿状边缘的 石墨烯带总是呈现出金属性，而扶手椅状边缘 的 石 墨 烯 带 则
摘要 碳纳米材料是目前纳米材料领域最为耀眼的明星。由于碳纳米管与石墨烯有着极为相似的结构和性 质，使得碳纳米管相关的研究方法和手段被广泛地应用 于 石 墨 烯 的 研 究 中 ，从 而 推 动 了 石 墨 烯 研 究 的 快 速 发 展。 简 要概述了碳纳米管相关研究手段在石墨烯研究中的应用进展。
关键词 碳纳米管 石墨烯 制备 应用
Ｆｒｏｍ Ｃａｒｂｏｎ Ｎａｎｏｔｕｂｅｓ ｔｏ Ｇｒａｐｈｅｎｅ：Ｐｒｏｇｒｅｓｓ ｏｆ Ｃａｒｂｏｎ Ｎａｎｏｍａｔｅｒｉａｌｓ
ＣＨＥＮ Ｌｉｕｑｕｎ１，ＳＵＮ Ｇｕａｎｇｈｕｉ ２，ＬＩ Ｃｈｕｎｌｉｎ１，ＪＩＮ Ｊｉａｎｇｂｉｎ１
（１ Ｔａｉｚｈｏｕ Ｃｉｔｙ Ｈｕａｎｇｙａｎ Ｍｉｎｇｊｉａｎｇ Ｐｌａｓｔｉｃ ａｎｄ Ｒｕｂｂｅｒ Ｃｏ．，Ｌｔｄ，Ｔａｉｚｈｏｕ ３１８０２６；２ Ｈｅｎａｎ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｉｎｄｕｓｔｒｙ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ Ｃｏ．Ｌｔｄ，Ｚｈｅｎｇｚｈｏｕ ４５００５２）
从 碳 纳 米 管 到 石 墨 烯 ——— 浅 谈 碳 纳 米 材 料 的 研 究 进 展／陈 留 群 等
· １１５ ·
从 碳 纳 米 管 到 石 墨 烯 ——— 浅 谈 碳 纳 米 材 料 的 研 究 进 展
陈 留 群１，孙 光 辉２，李 春 林１，金 江 彬１
（１ 台州市黄岩明江塑胶有限公司，台州 ３１８０２６；２ 河南省化工研究所有限责任公司，郑州 ４５００５２）
Hale Waihona Puke Baidu
陈 留 群 ：女 ，１９８４ 年 生 ，硕 士 ，主 要 从 事 功 能 材 料 研 究 Ｅ－ｍａｉｌ：ｃｈｅｎｌｉｕｑｕｎ１０１６＠ｓｉｎａ．ｃｏｍ
· １１６ ·
材料导报
２０１１ 年 １１ 月 第 ２５ 卷 专 辑 １８
可能呈现金 属 性 或 者 半 导 体 性，主 要 取 决 于 石 墨 烯 带 的 宽 度 。 ［５］ 而密度泛函 理 论 的 计 算 及 实 验 结 果 进 一 步 表 明 半 导 体性的石墨烯纳米带的带隙与纳米带的宽度成反 比 。 ［６－８］ 因 此石墨烯纳米带与单壁碳纳米管有着极为相似的电学性质。
在纳米电子学领域有着令人瞩目的应用前景。
１ 石 墨 烯 的 结 构 和 性 能
石墨烯又称单层 石 墨，是 一 种 二 维 平 面 的 蜂 窝 状 结 构， 也是零维的富勒烯、一维的碳纳米管及三维的石 墨 最 基 本 的 组成单元（如图１所示）［１］，因 此 对 石 墨 烯 的 研 究 将 有 助 于 推 动对碳家族其他材料的深入研究。然而，在 目 前 已 知 的 众 多 碳家族成员中，石 墨 烯 是 最 晚 才 被 发 现 的［２］，因 而 对 于 石 墨 烯的研究往 往 会 借 鉴 之 前 其 他 碳 材 料 的 研 究 方 法 和 手 段。 其中，与石墨烯性能最为接近的碳纳 米管的 研究 为 石 墨 烯 的 研究提供了很多直接的借鉴 。 ［３］
图 １ 二 维 平 面 结 构 的 石 墨 烯 是 其 他 碳 材 料 的 基本组成单元
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ ｃａｒｂｏｎ ｎａｎｏｔｕｂｅｓ，ｇｒａｐｈｅｎｅ，ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ，ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ
０ 引 言
碳是自然界中极其丰富的元素之 一，也 是 同 素 异 形 体 最 为丰富的元素之一。金刚石和石墨是被大家所熟知的碳的 最常见的两种同素异 形 体。１９８５ 年 富 勒 烯 的 发 现 让 人 们 认 识了碳家族的一位新成员，并促使人们去发现更 多 碳 的 同 素 异 形 体 。１９９１ 年 碳 纳 米 管 的 问 世 进 一 步 丰 富 了 碳 家 族 ，碳 纳 米管因其优异的 电 学、力 学、热 学 和 物 理 化 学 等 性 能 在 众 多 领域都有着潜在的 应 用 前 景，在 过 去 的 ２０ 年 间 受 到 研 究 者 们广泛的关注。２００４年石 墨 烯 的 发 现 在 完 善 碳 家 族 成 员 的 同时也将人们对碳纳米材料的研究推向了一个新的高度。
Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｃａｒｂｏｎ ｎａｎｏｍａｔｅｒｉａｌｓ ｈａｖｅ ｂｅｅｎ ｔｈｅ ｍｏｓｔ ｓｈｉｎｉｎｇ ｓｔａｒｓ ｓｉｎｃｅ ｔｈｅｙ ｈａｖｅ ｍａｎｙ ｆａｓｃｉｎａｔｉｎｇ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ａｎｄ ｐｏｔｅｎｔｉａｌ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ．Ｓｉｎｃｅ ｇｒａｐｈｅｎｅ ｈａｓ ｍａｎｙ ｓｉｍｉｌａｒｉｔｉｅｓ ｗｉｔｈ ｃａｒｂｏｎ ｎａｎｏｔｕｂｅｓ ｏｎ ｔｈｅｉｒ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ａｎｄ ｐｒｏｐｅｒ－ ｔｉｅｓ，ｍａｎｙ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｓｔｒａｔｅｇｉｅｓ ｏｎ ｃａｒｂｏｎ ｎａｎｏｔｕｂｅｓ ｈａｖｅ ｂｅｅｎ ａｄａｐｔｅｄ ｏｎｔｏ ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｇｒａｐｈｅｎｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ．Ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｐｒｏｇｒｅｓｓ ａｂｏｕｔ ｇｒａｐｈｅｎｅ ｓｔｕｄｉｅｄ ｂｙ ｓｔｒａｔｅｇｉｅｓ ｏｎ ｃａｒｂｏｎ ｎａｎｏｔｕｂｅｓ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｉｓ ｒｅｖｉｅｗｅｄ．
Ｆｉｇ．１ Ｇｒａｐｈｅｎｅ ａｓ ｔｈｅ ｂａｓｉｃ ｕｎｉｔ ｏｆ ０Ｄｆｕｌｌｅｒｅｎｅ，１Ｄ ｃａｒｂｏｎ ｎａｎｏｔｕｂｅｓ，ａｎｄ ３Ｄｇｒａｐｈｉｔｅ
二维的石墨烯本身是半金属性，或者 说 是 零 带 隙 的 半 导 体，同时具有金属和半导体的一些特性。而 当 石 墨 烯 的 尺 寸 达到跟单壁 碳 纳 米 管 一 样 的 准 一 维 时 （又 称 为 石 墨 烯 纳 米 带），同样也会根 据 石 墨 烯 带 的 宽 度 和 边 缘 结 构 的 不 同 而 表 现出金属性或者半导体性。紧束缚计算表明锯齿状边缘的 石墨烯带总是呈现出金属性，而扶手椅状边缘 的 石 墨 烯 带 则
摘要 碳纳米材料是目前纳米材料领域最为耀眼的明星。由于碳纳米管与石墨烯有着极为相似的结构和性 质，使得碳纳米管相关的研究方法和手段被广泛地应用 于 石 墨 烯 的 研 究 中 ，从 而 推 动 了 石 墨 烯 研 究 的 快 速 发 展。 简 要概述了碳纳米管相关研究手段在石墨烯研究中的应用进展。
关键词 碳纳米管 石墨烯 制备 应用
Ｆｒｏｍ Ｃａｒｂｏｎ Ｎａｎｏｔｕｂｅｓ ｔｏ Ｇｒａｐｈｅｎｅ：Ｐｒｏｇｒｅｓｓ ｏｆ Ｃａｒｂｏｎ Ｎａｎｏｍａｔｅｒｉａｌｓ
ＣＨＥＮ Ｌｉｕｑｕｎ１，ＳＵＮ Ｇｕａｎｇｈｕｉ ２，ＬＩ Ｃｈｕｎｌｉｎ１，ＪＩＮ Ｊｉａｎｇｂｉｎ１
（１ Ｔａｉｚｈｏｕ Ｃｉｔｙ Ｈｕａｎｇｙａｎ Ｍｉｎｇｊｉａｎｇ Ｐｌａｓｔｉｃ ａｎｄ Ｒｕｂｂｅｒ Ｃｏ．，Ｌｔｄ，Ｔａｉｚｈｏｕ ３１８０２６；２ Ｈｅｎａｎ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｉｎｄｕｓｔｒｙ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ Ｃｏ．Ｌｔｄ，Ｚｈｅｎｇｚｈｏｕ ４５００５２）
从 碳 纳 米 管 到 石 墨 烯 ——— 浅 谈 碳 纳 米 材 料 的 研 究 进 展／陈 留 群 等
· １１５ ·
从 碳 纳 米 管 到 石 墨 烯 ——— 浅 谈 碳 纳 米 材 料 的 研 究 进 展
陈 留 群１，孙 光 辉２，李 春 林１，金 江 彬１
（１ 台州市黄岩明江塑胶有限公司，台州 ３１８０２６；２ 河南省化工研究所有限责任公司，郑州 ４５００５２）
Hale Waihona Puke Baidu
陈 留 群 ：女 ，１９８４ 年 生 ，硕 士 ，主 要 从 事 功 能 材 料 研 究 Ｅ－ｍａｉｌ：ｃｈｅｎｌｉｕｑｕｎ１０１６＠ｓｉｎａ．ｃｏｍ
· １１６ ·
材料导报
２０１１ 年 １１ 月 第 ２５ 卷 专 辑 １８
可能呈现金 属 性 或 者 半 导 体 性，主 要 取 决 于 石 墨 烯 带 的 宽 度 。 ［５］ 而密度泛函 理 论 的 计 算 及 实 验 结 果 进 一 步 表 明 半 导 体性的石墨烯纳米带的带隙与纳米带的宽度成反 比 。 ［６－８］ 因 此石墨烯纳米带与单壁碳纳米管有着极为相似的电学性质。
在纳米电子学领域有着令人瞩目的应用前景。
１ 石 墨 烯 的 结 构 和 性 能
石墨烯又称单层 石 墨，是 一 种 二 维 平 面 的 蜂 窝 状 结 构， 也是零维的富勒烯、一维的碳纳米管及三维的石 墨 最 基 本 的 组成单元（如图１所示）［１］，因 此 对 石 墨 烯 的 研 究 将 有 助 于 推 动对碳家族其他材料的深入研究。然而，在 目 前 已 知 的 众 多 碳家族成员中，石 墨 烯 是 最 晚 才 被 发 现 的［２］，因 而 对 于 石 墨 烯的研究往 往 会 借 鉴 之 前 其 他 碳 材 料 的 研 究 方 法 和 手 段。 其中，与石墨烯性能最为接近的碳纳 米管的 研究 为 石 墨 烯 的 研究提供了很多直接的借鉴 。 ［３］