高等无机化学第四章-2019

几种碳材料结构图

第四章

碳纳米材料

当全世界都在关注碳排放经济对全球气候影响的时候,也许很多人都不知道碳应用实际上帮助我们保护环境远多于造成全球变暖。作为DNA的主要成分,毫无疑问碳是生命本身的最为重要的基石，我们人体平均含有16公斤的碳。

碳可以形成许多的同素异形体,例如最常见的石墨和钻石.最近更多奇异的类型被开发出来:蓝丝黛尔石（Lonsdaleite又称六角金刚石）,赵石墨(Chaoite),富勒烯（Fullerenes,也称巴基球）和纳米泡沫碳(Nanofoam).其实一周中的任何一天你都会遇到不同类型的碳。碳---生命的基石石墨

金刚石(Diamond)

富勒烯（Fullerenes，也被称为巴基球）

无定形碳（Amorphous，不是真的异形体,内部结构是石墨）

碳纳米管（Carbonnanotube）

六方金刚石（Lonsdaleite)与金刚石有相同的键型，但原子以六边形排列，也被称为六角金刚石

赵石墨（Chaoite，石墨与陨石碰撞时产生，具有六边形图案的原子排列）

汞黝矿结构（Schwarzite，由于有七边形的出现，六边形层被扭曲到“负曲 率”鞍形中的假想结构）

纤维碳（Filamentouscarbon，小片堆成长链而形成的纤维）

碳气凝胶（Carbonaerogels密度极小的多孔结构，类似于熟知的硅气凝胶）

碳纳米泡沫（Carbonnanofoam)蛛网状，有分形结构，密度是碳气凝胶的百分之一，有铁磁性碳单质的同素异形体：碳单质的同素异形体：

钻石，又称金刚钻，矿物名称为金刚石。英文为Diamond，源于古希腊语Adamant，意思是坚硬不可侵犯的物质。钻石是世界上最坚硬的、成份最简单的宝石,它是由碳元素组成的、具有立方结构的天然晶体。硬度为10，是目前已知最硬的矿物，绝对硬度是石英的1000倍，刚玉的150倍.金刚石:判别钻石的4C标准:净度Clarity

、颜色Color、切工Cut、克拉重量Carat（1c=200mg)。

1985年,Kroto,Curl和Smalley等采用质谱仪研究激光蒸发石墨电极粉末时，发现了不同数量的碳原子可以形成稳定的碳簇结构C60。（KrotoHW,SmalleyRE,CurlRF.Nature,1985,318:162）

C60是一种由60个碳原子构成的分子。每个碳原子以sp2杂化方式与相邻的碳原子成键，剩余的p轨道在C60球壳的外围和内腔形成球面大π键，构成一个由12个五元环和20个六元环组成的直径为0.7nm的接近球面体的32面体结构，恰似英国的足球，具有高度的美学对称性。故又称为足球烯(Footballene)。

具这种结构的C60分子，表现出许多奇特的功能，如分子特别稳定，可以抗辐射、抗化学腐蚀，特别容易接受和放出电子。一、富勒烯化学C60分子具有芳香性，溶于苯呈酱红色。可用电阻加热石墨棒或电弧法使石墨蒸发等方法制得。C60有润滑性，可能成为超级润滑剂。金属掺杂的C60有超导性，是有发展前途的超导材料。C60还可能在半导体、催化剂、蓄电池材料和药物等许多领域得到应用。C60分子可以和金属结合，也可以和非金属负离子结合。当碱金属原子和C60结合时，电子从金属原子转移到C60分子上，可形成具有超导性能的MxC60，其中M为K，Rb,Cs；x为掺进碱金属原子的数目。K3C60在18K以下是超导体，在18K以上是导体，掺进原子数最多可达6个，K6C60是绝缘体。C60是既有科学价值又有应用前景的化合物，在生命科学、医学、天体物理等领域也有一定的意义。

除了C60以外，具有这种封闭笼状结构的还有C28、C32、C52、C70、C76、C78、C82、C84、C90、C96等，统称为富勒烯(Fullerenes)。

由于C60是一个直径为0.7nm的空心球，其内腔可以容纳直径为0.5nm的其他原子。已经证明，富勒烯的笼中可以包含的单个离子,如K、Na、Cs、La、Ca、Ba、Sr等,生成富勒烯的包合物MnC60。例如,掺钾K3C60在－255℃是一种超导体.富勒烯化学1996年Curl、Kroto和Smalley因在C60研究中的贡献而被授予诺贝尔化学奖。1996ROBERTF.CURL,Jr.1933-

SIRHAROLDW.KROTO1939-

RICHARDE.SMALLEY1943-

forthediscoveryoffullerenes.

Residence:U.S.A.

Affiliation:RiceUniversity,Houston,U.S.A.Residence:UnitedKingdom

Affiliation:UniversityofSussex,Brighton,Sussex,UKResidence:Houston,U.S.A.

Affiliation:RiceUniversity,Houston,U.S.A.富勒烯化学朱道本主编《功能材料化学进展》化学工业出版社，2005第4章功能有机富勒烯[60]的合成、结构与性质

4.1有机富勒烯

4.2金属富勒烯包合物

4.3富勒烯超分子化学

4.4富勒烯新的聚集态

4.5富勒烯聚合物化学AvailableBook富勒烯新的聚集态FullereneCoalescenceinNanopeapods:APathtoNovelTubularCarbon，NanoLetters,2003,3,1037-1042.FrancescoGiacaloneandNazarioMartinFullerenePolymers:SynthesisandPropertiesChem.Rev.2006,106,5136-5190hv进一步光诱导聚合光诱导聚合制备C60聚合物的反应过程示意图富勒烯聚合物化学1997年由澳大利亚国立大学的AndreiV.Rode及其合作者发现。纳米泡沫：是含有孔径小于100nm的多孔固体泡沫材料。碳纳米泡沫呈蛛网状，具有分形结构，有铁磁性。泡沫由许多原子团簇构成，每个含有约4000个碳原子，直径约6到9纳米；其中很多原子团连在一起，形成了纤细的网。在碳纳米泡沫中，有许多七边形的结构。研究者认为，七边形的结构导致它有很多未成对的电子，泡沫也因而具有了磁性，这是其他任何一种碳的同素异形体所没有的特性。研究者还发现，在低于-183℃时，泡沫还具有永久磁性，但这种磁性在室温下会慢慢消失。二、碳纳米泡沫:CarbonNanofoam碳纳米泡沫的密度很低，与碳气凝胶很相似，但密度是它的百分之一；它是目前世上最轻的物质之一，密度约为2mg/cm3，仅有海平面上空气密度的几倍。这种泡沫还是电的不良导体，可以积聚静电而吸附在其他物质上；它的热传导性也很差。制备方法:在充满氩气的容器中放入玻璃形状的碳，用每秒一万次的激光脉冲轰击，使其温度骤升到大约1万摄氏度并爆炸，在容器壁上即可获得一层碳纳米泡沫构成的薄膜。由于纳米泡沫具有的铁磁性，将来有可能把它们的颗粒注射入人体，用来改善磁共振成像的清晰程度。它们也可能被应用到利用电子自旋或电子磁性的自旋器件中。碳纳米泡沫:CarbonNanofoam泡沫碳修饰电极表面，SEM图

Carbon

nanofoam

paperenableshigh-rateandhigh-capacityNa-ionstorage作者:

DeBlock,RyanH.;

Ko,JesseS.;

Sassin,MeganB.;等ENERGYSTORAGEMATERIALS

卷:

21

页:

481-486

出版年:

SEP2019

三、碳纳米管单层石墨六边形网络卷曲形成的无缝中空管，就叫碳纳米管在1991年日本NEC公司基础研究实验室的电子显微镜专家饭岛澄男(Iijima)在高分辨透射电子显微镜下检验石墨电弧设备中产生的球状碳分子时，意外发现了由管状的同轴纳米管组成的碳分子,这就是现在被称作的“Carbonnanotube”，即碳纳米管,又名巴基管。碳纳米管具有典型的层状中空结构特征,构成碳纳米管的层片之间存在一定的夹角，碳纳米管的管身是准圆管结构，并且大多数由五边形截面所组成。管身由六边形碳环微结构单元组成,端帽部分由含五边形的碳环组成的多边形结构，或者称为多边锥形多壁结构。是一种具有特殊结构（径向尺寸为纳米量级，轴向尺寸为微米量级、管子两端基本上都封口）的一维量子材料。它主要由呈六边形排列的碳原子构成数层到数十层的同轴圆管。层与层之间保持固定的距离，约为0.34nm，直径一般为2～20nm。SumloIijima.Nature,1991,354(11):56-58.由于其独特的结构，碳纳米管的研究具有重大的理论意义和潜在的应用价值，如：其独特的结构是理想的一维模型材料;巨大的长径比使其有望用作坚韧的碳纤维，其强度为钢的100倍，重量则只有钢的1/6;同时它还有望用作为分子导线，纳米半导体材料，催化剂载体，分子吸收剂和近场发射材料等。科学家们还预测碳纳米管将成为21世纪最有前途的纳米材料，以碳纳米管为材料的显示器将是很薄的，可以像招贴画那样挂在墙上。虽然碳纳米管的技术性能非常好，但因成本和其他因素其大规模推广仍将会是一个长期的过程。目前，在各大学的物理系和像IBM那样的公司都在制造碳纳米管，每克碳纳米管的价格是100美元左右。如果用碳纳米管做绳索，是唯一可以从月球挂到地球表面，而不被自身重量所拉断的绳索。碳纳米管分类碳纳米管按照石墨烯片的层数分类可分为：单壁碳纳米管（Single-wallednanotubes,SWNTs）多壁碳纳米管（Multi-wallednanotubes,MWNTs）多壁管在开始形成的时候，层与层之间很容易成为陷阱中心而捕获各种缺陷，因而多壁管的管壁上通常布满小洞样的缺陷。与多壁管相比，单壁管是由单层圆柱型石墨层构成，其直径大小的分布范围小，缺陷少，具有更高的均匀一致性。碳纳米管的性能碳纳米管作为一维纳米材料，重量轻，六边形结构连接完美，具有许多异常的力学、电学和化学性能。近些年随着碳纳米管及纳米材料研究的深入其广阔的应用前景也不断地展现出来。硼氮共掺杂使金属性碳纳米管转变为半导体J.Am.Chem.Soc.128,6530(2006)AdvancedMaterials，

20,3615(2008)拜耳在日本纳米展上展出碳纳米管制新品碳纳米管的应用前景纳米管的中空管可储存和稳定氢分子，研究人员正在试图用碳纳米管制作轻便的可携带式的储氢容器。在碳纳米管的内部可以填充金属、氧化物等物质，这样碳纳米管可以作为模具，首先用金属等物质灌满碳纳米管，再把碳层腐蚀掉，就可以制备出最细的纳米尺度的导线，或者全新的一维材料，在未来的分子电子学器件或纳米电子学器件中得到应用。利用碳纳米管的性质可以制作出很多性能优异的复合材料。纳米碳管0.7英寸LCD实现1080P高清碳纳米管相关书籍AvailableBook2004年，美国南卡罗莱纳大学的XuXiaoyou等人报道了利用电弧放电来制备单壁碳纳米管(SWCNTs)的方法，并在电泳法纯化产物的过程中首次发现了可以放出明亮荧光的碳量子点。碳量子点是一种碳基零维材料。碳量子点具有优秀的光学性质，良好的水溶性、低毒性、环境友好、原料来源广、成本低、生物相容性好等优点。碳量子点的应用广泛，在医学成像技术、环境监测、化学分析、催化剂制备、能源开发等许多的领域都有较好的应用前景。四、碳量子点（CarbonQuantumDots,CQD）碳量子点是由分散的类球状碳颗粒组成，尺寸极小（在10nm以下），具有荧光性质的新型纳米碳材料。碳量子点结构碳量子点的结构和组成决定了它们性质的多样性。碳量子点的一个特征就是在紫外光区有较强的吸收峰，并且在可见光区域有长拖尾。大多数吸收峰带集中在260～320nm，通常表现出荧光最大发射波长、激发波长依赖性等光学特征。

有些光谱中还出现了吸收肩，可能是由于C=C键的π→π*跃迁和C=O键的n→π*跃迁。

电解醇溶液产生碳量子点的紫外吸收性质碳量子点性质碳量子点另一个突出特点是它具有光致发光的特性，具有良好水溶性的碳量子点在光照下，其自身会发出明亮的荧光，而且光学稳定性很好。这种光致发光现象可能是由于碳量子点表面的空洞可以储存能量造成的。碳量子点的光致发光光谱的波长明显地与其发射光谱的波长和强度有关。这可能是由于纳米尺度量子效应的光学选择性或者是碳量子点表面不同的发射阱，也可能是其他尚未发现的机理。碳量子点的紫外吸收谱和PL光谱碳量子点性质碳量子点还有一个有趣的性质就是上转换发光(Up-conversionphotoluminescence,UCPL)。

通常情况下，材料只能受到高能量的光激发，发出低能量的光，也就是波长短的频率高的激发出波长长的频率低的光。但是有些材料可以实现与上述定律正好相反的发光效果，这就是上转换发光。对于碳量子点上转换荧光性质的机理解释还没有定论，有学者认为，碳量子点同时吸收两个或多个光子，使其在较激发波长更短的波长处吸收光，产生上转换荧光。碳量子点的上转换发光性质在发光显微镜进行细胞成像、高效催化剂设计，应用于生物科学和能源技术等方面都有很好的应用前景。

碳量子点性质碳材料的化学惰性较高，因为碳性质稳定，而且在生物体中的重含量很高，同时，碳量子点表面上的许多羧基等亲水性的官能团在水中具有优异的溶解性，因此相较于金属量子点材料，碳量子点具有较高的生物相容性和较低的细胞毒性，对环境危害很小。碳量子点性质自从碳量子点被首次发现以来，人们开发出了许多制备方法，根据碳源的不同，这些方法可以大致地分为“自上而下”(Top-down)合成法和“自下而上”(Bottom-up)合成法。“自上而下”合成法是指将大尺寸的碳源通过物理或者化学的方法剥离出尺寸很小的碳量子点。该合成法使用的碳源一般为碳纳米管、碳纤维、石墨棒、碳灰和活性炭等，通过电弧放电、激光销蚀、电化学合成等手段将这些富碳物质进行分解并最终形成碳量子点。“自下而上”合成法是利用分子或者离子状态等尺寸很小的碳材料合成出碳量子点。该方法多采用有机小分子或低聚物作为碳源，常用的有柠檬酸、葡萄糖、聚乙二醇、尿素、离子液体等。常见的“自下而上”合成方法有化学氧化法、燃烧法、水热/溶剂热法、微波合成法、模板法等。碳量子点制备方法紫外光下用凝胶电泳法分离电弧法制备的碳量子点2004年，XuXiaoyou等人在纯化电弧放电煤烟制得的单壁碳纳米管(SWCNTs)时，分离出了一种未知的荧光碳材料。为了增加该碳材料的亲水性，用3.3mol/LHNO3来氧化电弧处理过的煤烟以引入羧基功能基团，然后使用NaOH溶液来提取沉淀物得到稳定的黑色分散液，该分散液通过凝胶电泳法进行分离，得到SWC

NTs、短的管状碳和一个快速移动的高荧光材料带--碳量子点。电弧放电法2007年，Zhou等人首先报道了用电化学法合成碳量子点的方法。在电化学池中，以碳纸上通过化学气相沉积法(CVD)制得的多壁碳纳米管(MWCNTs)作为工作电极，铂丝作为辅助电极，Ag/AgCl作为参比电极，含0.1mol/L四丁基高氯酸铵的乙腈溶液作为电解液（实验前先除氧），在-2.0-+2.0V之间循环施加扫速为0.5V/s的电势，可以观察到溶液由无色变为黄色，最后再变为深棕色，表明碳量子点从多壁碳纳米管上剥离下来了。电化学法Zhou,J.;Booker,C.;Li,R.;Zhou,X.;Sham,T.;Sun,X.;Ding,Z.AnElectrochemicalAvenuetoBlueLuminescentNanocrystalsfromMultiwalledCarbonNanotubes(MWCNTs).J.Am.Chem.Soc.,2007(129):744-745.电化学法2016年，Liu等

人以乙醇、氢氧化钠、水为电解质，以石墨电极为工作电极，以铂电极为辅助电极，银/氯化银电极为参比电极，5V电压下，用电化学氧化剥离石墨的办法制备碳量子点。发现，这种办法产生的碳量子点在温度不同的情况下会有不同的颜色，推测可能是由于温度不同的情况下，碳量子点的粒径不同，从而在激发光照射下发射光的波长不一样从而产生了不同的颜色。电化学方法制备出的碳量子点产率较高，粒径较均匀，反应条件也较温和，对环境破坏较小，但是需要特殊设备，适合的反应也较少。反应装置及不同温度下的产物Analyst,2016(141):2657-2664碳量子点应用举例碳量子点应用举例碳量子点应用举例1948年，G.

Ruess和F.

Vogt发表了最早用透射电子显微镜拍摄的少层石墨烯图像。最初，科学家试着使用化学剥离法（chemical

exfoliation

method）来制备石墨烯。他们将大原子或大分子嵌入石墨，得到石墨层间化合物。在其三维结构中，每一层石墨可以被视为单层石墨烯。经过化学反应处理，除去嵌入的大原子或大分子后，会得到一堆石墨烯烂泥。由于难以分析与控制这堆烂泥的物理性质，科学家并没有继续这方面研究。2004年，康斯坦丁-诺沃肖罗夫博士和安德烈·海姆教授首次分离出石墨烯。他们利用胶带剥离石墨上的薄层，而后将其放在硅片上并借助显微镜进行观察以进行确认。2005年，曼彻斯特大学团队与哥伦比亚大学的研究者证实石墨烯的准粒子（quasiparticle）是无质量迪拉克费米子（Dirac

fermion）。类似这样的发现引起一股研究石墨烯的热潮。五、石墨烯（Graphene）石墨烯是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一个碳原子厚度的二维材料。石墨烯一直被认为是假设性的结构，无法单独稳定存在。2004年，英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫，成功地在实验中从石墨中分离出石墨烯，并证实它可以单独存在，两人也因“在二维石墨烯材料的开创性实验”，共同获得2010年诺贝尔物理学奖。科学家发现最薄单层石墨烯石墨烯（Graphene）

TheNobelPrizeinPhysics2010

"forgroundbreakingexperimentsregardingthetwo-dimensionalmaterialgraphene"AndreGeimBorn:1October1958,Sochi,RussiaAffiliationatthetimeoftheaward:UniversityofManchester,Manchester,UnitedKingdomKonstantinNovoselovBorn:23August1974,NizhnyTagil,RussiaAffiliationatthetimeoftheaward:UniversityofManchester,Manchester,UnitedKingdom2018年3月31日，中国首条全自动量产石墨烯有机太阳能光电子器件生产线在山东菏泽启动，该项目主要生产可在弱光下发电的石墨烯有机太阳能电池石墨烯是由碳六元环组成的两维周期蜂窝状点阵结构，它可以翘曲成零维的富勒烯(fullerene)，卷成一维的碳纳米管(CNT)或者堆垛成三维的石墨(graphite)，因此石墨烯是构成其他石墨材料的基本单元。石墨烯的基本结构单元为有机材料中最稳定的苯六元环，是最理想的二维纳米材料。理想的石墨烯结构是平面六边形点阵，可以看做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。石墨烯的结构非常稳定，碳碳键仅为1.42Å。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。石墨烯的结构石墨烯的能带图石墨烯的物理性质力学特性石墨烯是已知强度最高的材料之一，同时还具有很好的韧性，且可以弯曲，石墨烯的理论杨氏模量达1.0TPa，固有的拉伸强度为130GPa。

由石墨烯薄片组成的石墨纸拥有很多的孔，因而石墨纸显得很脆，然而，经氧化得到功能化石墨烯，再由功能化石墨烯做成石墨纸则会异常坚固强韧。电子效应石墨烯在室温下的载流子迁移率约为15000cm2/（V·s），这一数值超过了硅材料的10倍，是目前已知载流子迁移率最高的物质锑化铟（InSb）的两倍以上。在某些特定条件下如低温下，石墨烯的载流子迁移率甚至可高达250000cm2/（V·s）。与很多材料不一样，石墨烯的电子迁移率受温度变化的影响较小，50-500K之间的任何温度下，单层石墨烯的电子迁移率都在15000cm2/（V·s）左右。光学特性石墨烯具有非常良好的光学特性，在较宽波长范围内吸收率约为2.3%，看上去几乎是透明的。在几层石墨烯厚度范围内，厚度每增加一层，吸收率增加2.3%。大面积的石墨烯薄膜同样具有优异的光学特性，且其光学特性随石墨烯厚度的改变而发生变化。当入射光的强度超过某一临界值时，石墨烯对其的吸收会达到饱和。这些特性使得石墨烯可以用来做被动锁模激光器。溶解性在非极性溶剂中表现出良好的溶解性，具有超疏水性和超亲油性。石墨烯的物理性质氧化石墨烯（grapheneoxide，GO）：一种通过氧化石墨得到的层状材料。体相石墨经发烟浓酸溶液处理后，石墨烯层被氧化成亲水的石墨烯氧化物，石墨层间距由氧化前的3.35Å增加到7-10Å，经加热或在水中超声剥离过程很容易形成分离的石墨烯氧化物片层结构。XPS、红外光谱（IR）、固体核磁共振谱（NMR）等表征结果显示石墨烯氧化物含有大量的含氧官能团，包括羟基、环氧官能团、羰基、羧基等。羟基和环氧官能团主要位于石墨的基面上，而羰基和羧基则处在石墨烯的边缘处。石墨烯的化学性质生物相容性：羧基离子的植入可使石墨烯材料表面具有活性功能团，从而大幅度提高材料的细胞和生物反应活性。石墨烯呈薄纱状,与碳纳米管的管状相比，更适合于生物材料方面的研究。并且石墨烯的边缘与碳纳米管相比，更长，更易于被掺杂以及化学改性，更易于接受功能团。氧化性：可与活泼金属反应。还原性：可在空气中或是被氧化性酸氧化，通过该方法可以将石墨烯裁成小碎片。加成反应：利用石墨烯上的双键，可以通过加成反应，加入需要的基团。稳定性：石墨烯的结构非常稳定。石墨烯中的电子在轨道中移动时，不会因晶格缺陷或引入外来原子而发生散射。由于原子间作用力十分强，在常温下，即使周围碳原子发生挤撞，石墨烯内部电子受到的干扰也非常小。石墨烯有芳香性，具有芳烃的性质。

石墨烯的制备方法1.撕胶带法/轻微摩擦法2.碳化硅表面外延生长3.取向附生法4.氧化还原法5.肼还原法6.乙氧钠裂解法7.切割碳纳米管法8.化学气相沉积法9.赫默法（Hummers）

氧化还原法氧化还原法是通过使用硫酸、硝酸等化学试剂及高锰酸钾、双氧水等氧化剂将天然石墨氧化，增大石墨层之间的间距，在石墨层与层之间插入氧化物，制得氧化石墨（GraphiteOxide）。然后将反应物进行水洗，并对洗净后的固体进行低温干燥，制得氧化石墨粉体。通过物理剥离、高温膨胀等方法对氧化石墨粉体进行剥离，制得氧化石墨烯。最后通过化学法将氧化石墨烯还原，得到石墨烯（RGO）。这种方法操作简单，产量高，但是产品质量较低。氧化还原法使用硫酸、硝酸等强酸，存在较大的危险性，又须使用大量的水进行清洗，带来较大的环境污染。使用氧化还原法制备的石墨烯，含有较丰富的含氧官能团，易于改性。但由于在对氧化石墨烯进行还原时，较难控制还原后石墨烯的氧含量，同时氧化石墨烯在阳光照射、运输时车厢内高温等外界条件影响下会不断的还原，因此氧化还原法生产的石墨烯逐批产品的品质往往不一致，难以控制品质。Physicalreviewletters,2009取向附生法取向附生法是利用生长基质原子结构“种”出石墨烯，首先让碳原子在1150℃下渗入钌，然后冷却，冷却到850℃后，之前吸收的大量碳原子就会浮到钌表面，最终镜片形状的单层的碳原子会长成完整的一层石墨烯。第一层覆盖后，第二层开始生长。底层的石墨烯会与钌产生强烈的相互作用，而第二层后就几乎与钌完全分离，只剩下弱电耦合。采用这种方法生产的石墨烯薄片往往厚度不均匀，且石墨烯和基质之间的黏合会影响碳层的特性。NatureMaterials2009(8):171.主要分类单层石墨烯单层石墨烯（Graphene）：指由一层以苯环结构（即六角形蜂巢结构）周期性紧密堆积的碳原子构成的一种二维碳材料。双层石墨烯双层石墨烯（Bilayerordouble-layergraphene）：指由两层以苯环结构周期性紧密堆积的碳原子以不同堆垛方式（包括AB堆垛，AA堆垛等）堆垛构成的一种二维碳材料。少层石墨烯少层石墨烯（Few-layer）：指由3-10层以苯环结构周期性紧密堆积的碳原子以不同堆垛方式（包括ABC堆垛，ABA堆垛等）堆垛构成的一种二维碳材料。多层石墨烯多层石墨烯又叫厚层石墨烯（multi-layergraphene）：指厚度在10层以上10nm以下苯环结构周期性紧密堆积的碳原子以不同堆垛方式（包括ABC堆垛，ABA堆垛等）堆垛构成的一种二维碳材料。石墨烯的应用1.单分子气体侦测石墨烯独特的二维结构使它在传感器领域具有光明的应用前景。巨大的表面积使它对周围的环境非常敏感。即使是一个气体分子吸附或释放都可以检测到。检测分为直接检测和间接检测。通过透射电子显微镜可以直接观测到单原子的吸附和释放过程，通过测量霍尔效应方法可以间接检测单原子的吸附和释放过程。当一个气体分子被吸附于石墨烯表面时，吸附位置会发生电阻的局域变化。石墨烯具有高电导率和低噪声的优良品质，能够侦测这一微小的电阻变化。NatureMater.2007,6(9),652-655.Nature,2008,454,3192.石墨烯纳米带石墨烯纳米带的二维结构具有高电导率、高热导率、低噪声，这些优良品质促使石墨烯纳米带成为集成电路互连材料的另一种选择，有可能替代铜金属。3.场效应管及其集成电路石墨烯良好的电导性能和透光性能，使它在透明电导电极方面有非常好的应用前景。触摸屏、液晶显示、有机光伏电池、有机发光二极管等等，都需要良好的透明电导电极材料。特别是，石墨烯的机械强度和柔韧性都比常用材料氧化铟锡优良。由于氧化铟锡脆度较高，比较容易损毁。在溶液内的石墨烯薄膜可以沉积于大面积区域。Nanoletters,2007,8(1),323NatNanotechnol,2008,3(5),270–4石墨烯的应用4.导热材料/热界面材料2011年,美国佐治亚理工学院学者首先报道了垂直排列官能化多层石墨烯三维立体结构在热界面材料中的应用及其超高等效热导率和超低界面热阻。5.场发射源及其真空电子器件早在2002年，垂直于基底表面的石墨烯纳米墙就被成功制备出来。它被看作是非常优良的场致发射电子源材料。单片石墨烯的场致电子发射效应也有报道。6.超级电容器由于石墨烯具有特高的比表面积，石墨烯可以用于超级电容器的导电电极。科学家认为这种超级电容器的储存能量密度会大于现有的电容器。Adv.Mater.2002,14:64-67.JournalofMaterialsChemistry.2004,14:469-477.石墨烯的应用7.石墨烯生物器件由于石墨烯可化学修饰、具有大比表面积、原子尺寸厚度等特色，应用于细菌侦测与诊断器件，是个很优良的选择。科学家希望能够发展出一种快速且便宜的电子DNA定序科技。它们认为石墨烯是一种具有这潜能的材料。他们想用石墨烯制成一个尺寸大约为DNA宽度的纳米洞，让DNA分子游过这纳米洞。由于DNA的四个碱基（A、C、G、T）会对石墨烯的电导率有不同的影响，只要测量DNA分子通过时产生的微小电压差异，就可以知道到底是哪一个碱基正在游过纳米洞。这样，就可以达成目的。8.抗菌物质中国科学院上海分院的科学家发现石墨烯氧化物对于抑制大肠杆菌的生长超级有效，而且不会伤害到人体细胞。假若石墨烯氧化物对其他细菌也具有抗菌性，则可能找到一系列新的应用，像自动除去异味的鞋子，或保存食品新鲜的包装。Small.2009,5(23):2638–49.石墨烯的应用GrowthofgraphenefromsolidcarbonsourcesThegrowthofmonolayerpristinegraphenefromsolidcarbonsourcesatopmetalcatalystsisdemonstrated.Thefirstsolidcarbonsourceusedwasaspin-coatedpoly(methylmethacrylat