新型碳材料一．碳材料基础碳作为生命组织的基本组成之一存在于所有有机材料和所有碳基高分子中。

纯的碳很早以前就是重要的无机材料之一。

碳有4种同素异形体：石墨、金刚石、富勒烯、卡宾碳，它们各有各自不同的特点及应用，总的来说它们几乎涵盖所有科学家及工程师所需要的特点。

例如：石墨是最软的材料之一（显微硬度1GPa），通常用来作为固体润滑剂；金刚石是最硬的材料（显微硬度100GPa），通常作为切割工具；碳纳米管拥有与铜或硅相媲美的导电性。

传统碳材料(Classic Carbons) •木炭，竹炭(Charcoals)•活性炭(Activated carbons) •炭黑(Carbon blacks)•焦炭(Coke)•天然石墨（Natural graphite）•石墨电极，炭刷•炭棒，铅笔新型碳材料(New Carbons) •金刚石(Diamond)•炭纤维(carbon fibers)•石墨层间化合物(Graphite Intercalation compounds)•柔性石墨(Flexible graphite) •核石墨（Nuclear graphite）•储能用炭材料•玻璃炭（Glass-like carbons）其中新型碳材料包含纳米碳材料：富勒烯、碳纳米管、纳米金刚石、石墨烯。

二．新型碳材料1.金刚石2.碳纤维导电性介于非金属和金属之间，热膨胀系数小，耐腐蚀性好，纤维的密度低，X 射线透过性好。

但其耐冲击性较差，容易损伤，在强酸作用下发生氧化，与金属复合时会发生金属碳化、渗碳及电化学腐蚀现象。

因此，碳纤维在使用前须进行表面处理。

碳纤维广泛用于民用，军用，建筑，化工，工业，航天等领域。

3.石墨层间化合物石墨层间化合物（GIC）是通式为XCy的化合物，它是由金属原子插入在石墨层间形成的。

这种化合物导电性通常比石墨要强。

若插入原子与石墨形成共价键，则导电性降低，这是由于共轭sp系统破坏造成的。

石墨层间化合物通常具有超导性能。

在石墨层间化合物中，每层不必都被其他原子占据。

所谓“第一阶段化合物”中，石墨层与插入原子层相互交错；在“第二阶段化合物”中，两层石墨层间不必都要有其他原子。

实际的组成可能多变或更复杂。

第一阶段化合物中，二元石墨-金属层间化合物对于如钾、铷、铯的金属通常为XC8 ，对于金属如锂、锶、钡、铕、镱或钙，则通式常为XC6。

4.柔性石墨又称膨胀石墨，可膨胀石墨是一种利用物理或化学的方法使非碳质反应物插入石墨层间，与炭素的六角网络平面结合的同时又保持了石墨层状结构的晶体化合物。

它不仅保持石墨优异的理化性质，而且由于插入物质与石墨层的相互作用而呈现出原有石墨及插层物质不具备的新性能。

插有层间化合物的石墨在遇到高温时，层间化合物将分解，产生一种沿石墨层间C轴方向的推力，这个推力远大于石墨粒子的层间结合力，在这个推力的作用下石墨层间被推开，从而使石墨粒子沿C轴方向高倍地膨胀，形成蠕虫状的膨胀石墨。

膨胀石墨是一种性能优良的吸附剂，尤其是它具有疏松多孔结构，对有机化合物具有强大的吸附能力，1 g膨胀石墨可吸附80 g石油，于是膨胀石墨就被设计成各种工业油脂和工业油料的吸附剂。

5.核石墨核石墨（nuclear graphite），用于核工业方面的石墨材料。

有原子反应堆用中子减速剂、反射剂、生产同位素用的热柱石墨、高温气冷堆用的球状石墨和块状石墨等等。

石墨用于热中子反应堆，也有希望用于聚变堆，在热中子反应堆中可作为燃料区的中子慢化剂、燃料区周围的反射层材料，以及堆芯内部的结构材料。

石墨烯（Graphene）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[1]，直至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，而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”为由，共同获得2010年诺贝尔物理学奖。

3.1 石墨烯的概况由于其具有特殊的纳米结构以及优异的性能，基于石墨烯的材料已在电子学、光学、磁学、生物医学、催化、传感器、储能等诸多领域显示出了巨大的应用潜能。

石墨烯是由碳原子以矿杂化连接的单原子层构成的，其基本结构单元为有机材料中最稳定的苯六元环，其理论厚度仅为0.35nm，是目前所发现的最薄的二维材料。

石墨烯是构成其它石墨材料的基本单元，可以翘曲变成零维的富勒烯，卷曲形成一维的CNTs或者堆垛成三维的石墨。

石墨烯是一种没有能隙的半导体，具有比硅高100倍的载流子迁移率(2×105cm2/v)，在室温下具有微米级自由程和大的相干长度，因此石墨烯是纳米电路的理想材料。

石墨烯具有良好的导热性[3000W/(m·K)]、高强度(110GPa)和超大的比表面积(2630m2/g)。

这些优异的性能使得石墨烯在纳米电子器件、气体传感器、能量存储及复合材料等领域有光明的应用前景。

3.2 石墨烯的制备经研究发现，合成石墨烯的方法已有很多，例如微机械剥离、化学气相沉积、氧化-还原，以及最新溶剂剥离和溶剂热法，其中氧化-还原法以其简单和多元化的工艺，成为制备石墨烯及功能化石墨烯的最佳方法。

3.2.1 微机械剥离法2004年，Geim等首次用微机械剥离法，成功地从高定向热裂解石墨(highly oriented pyrolytic graphite)上剥离并观测到单层石墨烯。

石墨剥离法主要以石墨、插层石墨和膨胀石墨为起始原料，利用外柬引入分子或溶剂分子等插入到石墨的层间，借助外力如超声、搅拌等条件制备石墨烯的悬浮液。

利用这类方法能够制备出质量较高、晶体结构较为完整的石墨烯。

微机械剥离法可以制备出高质量石墨烯，但存在产率低和成本高的不足，不满足工业化和规模化生产要求，目前只能作为实验室小规模制备。

3.2.2 氧化石墨-还原法石墨先经化学氧化得到边缘含有羧基、羟基，层间含有环氧及羰基等含氧基团的石墨氧化物(graphite oxide),此过程可使石墨层间距离从0.34nm扩大到约O.78nm，再通过外力剥离(如超声剥离)得到单原子层厚度的石墨烯氧化物(graphene oxide)，加人还原剂去除氧化石墨表面的含氧基团，如羧基、环氧基和羟基，得到石墨烯。

这种方法制备的石墨烯为独立的单层石墨烯片，产量高，应用广泛。

石墨的氧化方法主要有Hummers、Brodie和Staudenmaier三种方法，这三种方法都是用强质子酸处理原始石墨，将强酸小分子插入石墨层间，再用强氧化剂对其进行氧化。

（1）Hummers法。

Hummers法是将天然鳞片石墨和无水硝酸钠加入到置于冰浴内的浓硫酸中，强力搅拌下加入氧化剂KMnO4，并用H2O2(体积分数为3％)还原和反应过程生成的MnO2，最后经过滤、洗涤、干燥得到氧化石墨。

未反应的KMnO4（2）Brodie法。

Brodie法是先用发烟HNO3处理天然微粉石墨，在处理过程中硝酸根离子侵入石墨片层间，然后用KClO4作氧化剂进一步氧化石墨，随后将反应混合物投入大量水中，最后过滤、洗涤、干燥得到氧化石墨。

（3）Staudenmaier法。

Staudenmaier法是先用浓硫酸和发烟硝酸混合酸对石墨粉进行处理，然后以KClO4作氧化剂氧化石墨而得到氧化石墨。

氧化-还原法被提出后，以其简单易行的工艺成为实验室制备石墨烯的最简便的方法，得到广大石墨烯研究者的青睐。

氧化一还原法唯一的缺点是制备的石墨烯存在一定的缺陷，例如，五元环、七元环等拓扑缺陷或存在一OH基团的结构缺陷，这些将导致石墨烯部分电学性能的损失，使石墨烯的应用受到限制，但是这种制备方法简便且成本较低，不仅可以制备出大量石墨烯悬浮液，而且有利于制备石墨烯的衍生物，拓展了石墨烯的应用领域。

3.2.3 化学气相沉积法化学气相沉积法(Chemical Vapor Deposition，CVD)指反应物质在气态条件下发生化学反应，生成固态物质沉积在加热的固态基体表面，进而制得固体材料的工艺技术。

用CVD法可以制备出高质量大面积的石墨烯，但是理想的基片材料单晶镍的价格太昂贵，这可能是影响石墨烯工业化生产的重要因素。

CVD法可以满足规模化制备高质量石墨烯的要求，但成本较高，工艺复杂。

3.2.4 溶剂剥离法溶剂剥离法的原理是将少量的石墨分散于溶剂中，形成低浓度的分散液，利用超声波的作用破坏石墨层间的范德华力，此时溶剂可以插入石墨层间，进行层层剥离，制备出石墨烯。

溶剂剥离法可以制备高质量的石墨烯，整个液相剥离的过程没有在石墨烯的表面引入任何缺陷，为其在微电子学、多功能复合材料等领域的应用提供了广阔的应用前景。

3.3 石墨烯与超级电容器石墨烯拥有高的比表面积和高的电导率，不像多孑L碳材料电极要依赖孔的分布，这使它成为最有潜力的电极材料。

以石墨烯为电极材料制备的超级电容器具有较大的功率密度和能量密度，应有较长的循环寿命，石墨烯在超级电容器方面的潜在应用受到更多的研究者关注。

3.4 石墨烯的应用展望自从2004年被报道以来，石墨烯烯从一个新生儿快速成长为科学界的新星，自身优异的性能渐渐被发掘和开发，但是应用方面仍然有许多挑战：第一，如何大规模的制取高质量的石墨烯关系到它的工业使用价值；第二，拓展石墨烯的应用领域，对于现在来说，石墨烯的应用不止在于晶体管、太阳能电池和传感器，还有非常大的应用空间；第三，开发石墨烯与其他材料的复合材料，探索其发展应用在未来尤其重要。

目前有机化学家和材料化学家二者结合，致力于找到更好的合成路线，制备高质量的石墨烯。

石墨烯作为很多领域非常有潜力的替代材料，还存在很多问题，有待进一步深入研究。