本書(shū)從石墨烯的發(fā)展史出發(fā),深入淺出地介紹了石墨烯結(jié)構(gòu)、特性、制備方法、化學(xué)修飾與功能化、微結(jié)構(gòu)調(diào)控、組裝技術(shù),以及組裝體在能量轉(zhuǎn)換和儲(chǔ)存等方面的應(yīng)用,各章節(jié)之間的內(nèi)容既相互關(guān)聯(lián),又有各自的側(cè)重點(diǎn),概括了科研工作者們這些年在石墨烯領(lǐng)域的知識(shí)沉淀。本書(shū)共6章,第1章為石墨烯物理與化學(xué),第2章詳細(xì)介紹了石墨烯的制備,第3章涉及石墨烯化學(xué)調(diào)控與功能化,第4章總結(jié)了石墨烯微結(jié)構(gòu)調(diào)控,第5章介紹了石墨烯組裝技術(shù),第6章為石墨烯組裝體在能量轉(zhuǎn)換與存儲(chǔ)器件中的應(yīng)用。
本書(shū)可作為高等學(xué)校材料相關(guān)專(zhuān)業(yè)本科高年級(jí)學(xué)生、研究生的學(xué)習(xí)用書(shū),以及教師、科技工作者和企業(yè)專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員的參考書(shū),尤其對(duì)從事石墨烯材料研究的科研人員將具有很好的指導(dǎo)意義。
1. “戰(zhàn)略前沿新材料——石墨烯出版工程” “十三五”國(guó)家重點(diǎn)出版物出版規(guī)劃項(xiàng)目/國(guó)家出版基金叢書(shū)由石墨烯的基本性質(zhì)與表征技術(shù)、石墨烯的制備技術(shù)和計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)、石墨烯的分類(lèi)應(yīng)用、石墨烯的發(fā)展現(xiàn)狀報(bào)告、石墨烯科普知識(shí)等五大部分共22分冊(cè)構(gòu)成,本書(shū)為第17分冊(cè)。
2. 叢書(shū)由我國(guó)石墨烯研究領(lǐng)域的主要開(kāi)拓者及我國(guó)石墨烯發(fā)展的重要推動(dòng)者、北京大學(xué)教授、北京石墨烯研究院創(chuàng)院院長(zhǎng)劉忠范院士親自策劃并擔(dān)任總主編。本書(shū)從石墨烯的發(fā)展史出發(fā),深入淺出地介紹了石墨烯的結(jié)構(gòu)、特性、制備方法、化學(xué)修飾與功能化、微結(jié)構(gòu)調(diào)控、組裝技術(shù)以及組裝體在能量轉(zhuǎn)換和儲(chǔ)存等方面的應(yīng)用。
3.全書(shū)采用80克雅質(zhì)紙,彩色印刷,清晰直觀地展現(xiàn)了石墨烯的結(jié)構(gòu)、模擬及表征結(jié)果。
4.叢書(shū)前言摘選/劉忠范
石墨烯是碳的同素異形體大家族的又一個(gè)傳奇,也是當(dāng)今橫跨學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的超級(jí)明星,幾乎到了家喻戶曉、婦孺皆知的程度。當(dāng)然,石墨烯是當(dāng)之無(wú)愧的。作為由單層碳原子構(gòu)成的蜂窩狀二維原子晶體材料,石墨烯擁有無(wú)與倫比的特性。理論上講,它是導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性較好的材料,也是理想的輕質(zhì)高強(qiáng)材料。正因如此,一經(jīng)問(wèn)世便吸引了全球范圍的關(guān)注。石墨烯有可能創(chuàng)造一個(gè)全新的產(chǎn)業(yè),石墨烯產(chǎn)業(yè)將成為未來(lái)全球高科技產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)的高地,這一點(diǎn)已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的共識(shí)。
從2004年至今,已經(jīng)有了近十六年的歷史沉淀。無(wú)論是石墨烯的基礎(chǔ)研究,還是石墨烯材料的產(chǎn)業(yè)化實(shí)踐,人們都有了更多的一手材料,更有可能對(duì)石墨烯材料有一個(gè)全方位套叢書(shū)出的、科學(xué)的、理性的認(rèn)識(shí)。總結(jié)歷史,是為了更好地走向未來(lái)。對(duì)于新興的石墨烯產(chǎn)業(yè)來(lái)說(shuō),戰(zhàn)略前沿新材料——石墨烯出版工程的出版意義也是不言而喻的。事實(shí)上,國(guó)內(nèi)外已經(jīng)出版了數(shù)十部石墨烯相關(guān)書(shū)籍,其中不乏經(jīng)典性著作。本叢書(shū)的定位有所不同,希望能夠全面總結(jié)石墨烯相關(guān)的知識(shí)積累,反映石墨烯領(lǐng)域的國(guó)內(nèi)外前沿研究進(jìn)展,展示石墨烯新材料的產(chǎn)業(yè)化現(xiàn)狀與發(fā)展前景,尤其希望能夠充分體現(xiàn)國(guó)人對(duì)石墨烯領(lǐng)域的貢獻(xiàn)。
本叢書(shū)共包括22分冊(cè),執(zhí)筆作者20余位,都是石墨烯領(lǐng)域的重量級(jí)學(xué)者、專(zhuān)家,因此可以從源頭上保障叢書(shū)的專(zhuān)業(yè)性和科學(xué)性。叢書(shū)分五大部分,囊括了從石墨烯的基本性質(zhì)和表征技術(shù),到石墨烯材料的制備方法及其在不同領(lǐng)域的應(yīng)用,以及石墨烯產(chǎn)品的計(jì)量檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)等全方位的知識(shí)總結(jié)。同時(shí),兩份產(chǎn)業(yè)研究報(bào)告詳細(xì)闡述了世界各國(guó)的石墨烯產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀和未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。除此之外,叢書(shū)還為廣大石墨烯迷們提供了一份科普讀物《有問(wèn)必答:石墨烯的魅力》,針對(duì)廣泛征集到的石墨烯相關(guān)問(wèn)題答疑解惑,去偽求真。
本叢書(shū)的內(nèi)容涵蓋石墨烯新材料的方方面面,每個(gè)分冊(cè)也相對(duì)獨(dú)立,具有很強(qiáng)的系統(tǒng)性、知識(shí)性、專(zhuān)業(yè)性和即時(shí)性,凝聚著各位作者的研究心得、智慧和心血,供不同需求的廣大讀者參考使用。希望叢書(shū)的出版對(duì)中國(guó)的石墨烯研究和中國(guó)石墨烯產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展有所助益。1. “戰(zhàn)略前沿新材料——石墨烯出版工程” “十三五”國(guó)家重點(diǎn)出版物出版規(guī)劃項(xiàng)目/國(guó)家出版基金叢書(shū)由石墨烯的基本性質(zhì)與表征技術(shù)、石墨烯的制備技術(shù)和計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)、石墨烯的分類(lèi)應(yīng)用、石墨烯的發(fā)展現(xiàn)狀報(bào)告、石墨烯科普知識(shí)等五大部分共22分冊(cè)構(gòu)成,本書(shū)為第17分冊(cè)。
2. 叢書(shū)由我國(guó)石墨烯研究領(lǐng)域的主要開(kāi)拓者及我國(guó)石墨烯發(fā)展的重要推動(dòng)者、北京大學(xué)教授、北京石墨烯研究院創(chuàng)院院長(zhǎng)劉忠范院士親自策劃并擔(dān)任總主編。本書(shū)從石墨烯的發(fā)展史出發(fā),深入淺出地介紹了石墨烯的結(jié)構(gòu)、特性、制備方法、化學(xué)修飾與功能化、微結(jié)構(gòu)調(diào)控、組裝技術(shù)以及組裝體在能量轉(zhuǎn)換和儲(chǔ)存等方面的應(yīng)用。
3.全書(shū)采用80克雅質(zhì)紙,彩色印刷,清晰直觀地展現(xiàn)了石墨烯的結(jié)構(gòu)、模擬及表征結(jié)果。
4.叢書(shū)前言摘選/劉忠范
石墨烯是碳的同素異形體大家族的又一個(gè)傳奇,也是當(dāng)今橫跨學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的超級(jí)明星,幾乎到了家喻戶曉、婦孺皆知的程度。當(dāng)然,石墨烯是當(dāng)之無(wú)愧的。作為由單層碳原子構(gòu)成的蜂窩狀二維原子晶體材料,石墨烯擁有無(wú)與倫比的特性。理論上講,它是導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性較好的材料,也是理想的輕質(zhì)高強(qiáng)材料。正因如此,一經(jīng)問(wèn)世便吸引了全球范圍的關(guān)注。石墨烯有可能創(chuàng)造一個(gè)全新的產(chǎn)業(yè),石墨烯產(chǎn)業(yè)將成為未來(lái)全球高科技產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)的高地,這一點(diǎn)已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的共識(shí)。
從2004年至今,已經(jīng)有了近十六年的歷史沉淀。無(wú)論是石墨烯的基礎(chǔ)研究,還是石墨烯材料的產(chǎn)業(yè)化實(shí)踐,人們都有了更多的一手材料,更有可能對(duì)石墨烯材料有一個(gè)全方位套叢書(shū)出的、科學(xué)的、理性的認(rèn)識(shí)。總結(jié)歷史,是為了更好地走向未來(lái)。對(duì)于新興的石墨烯產(chǎn)業(yè)來(lái)說(shuō),戰(zhàn)略前沿新材料——石墨烯出版工程的出版意義也是不言而喻的。事實(shí)上,國(guó)內(nèi)外已經(jīng)出版了數(shù)十部石墨烯相關(guān)書(shū)籍,其中不乏經(jīng)典性著作。本叢書(shū)的定位有所不同,希望能夠全面總結(jié)石墨烯相關(guān)的知識(shí)積累,反映石墨烯領(lǐng)域的國(guó)內(nèi)外前沿研究進(jìn)展,展示石墨烯新材料的產(chǎn)業(yè)化現(xiàn)狀與發(fā)展前景,尤其希望能夠充分體現(xiàn)國(guó)人對(duì)石墨烯領(lǐng)域的貢獻(xiàn)。
本叢書(shū)共包括22分冊(cè),執(zhí)筆作者20余位,都是石墨烯領(lǐng)域的重量級(jí)學(xué)者、專(zhuān)家,因此可以從源頭上保障叢書(shū)的專(zhuān)業(yè)性和科學(xué)性。叢書(shū)分五大部分,囊括了從石墨烯的基本性質(zhì)和表征技術(shù),到石墨烯材料的制備方法及其在不同領(lǐng)域的應(yīng)用,以及石墨烯產(chǎn)品的計(jì)量檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)等全方位的知識(shí)總結(jié)。同時(shí),兩份產(chǎn)業(yè)研究報(bào)告詳細(xì)闡述了世界各國(guó)的石墨烯產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀和未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。除此之外,叢書(shū)還為廣大石墨烯迷們提供了一份科普讀物《有問(wèn)必答:石墨烯的魅力》,針對(duì)廣泛征集到的石墨烯相關(guān)問(wèn)題答疑解惑,去偽求真。
本叢書(shū)的內(nèi)容涵蓋石墨烯新材料的方方面面,每個(gè)分冊(cè)也相對(duì)獨(dú)立,具有很強(qiáng)的系統(tǒng)性、知識(shí)性、專(zhuān)業(yè)性和即時(shí)性,凝聚著各位作者的研究心得、智慧和心血,供不同需求的廣大讀者參考使用。希望叢書(shū)的出版對(duì)中國(guó)的石墨烯研究和中國(guó)石墨烯產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展有所助益。
作為自然界中重要的元素之一,碳元素參與了自然界中的眾多反應(yīng),同時(shí)人類(lèi)的衣食住行乃至自身的繁衍生息都離不開(kāi)碳元素。在材料科學(xué)領(lǐng)域,近年來(lái)碳材料的相關(guān)研究十分活躍,各種基于碳的納米結(jié)構(gòu)和材料層出不窮。作為碳納米材料家族中的新成員,石墨烯自從Geim和Novoselov首次發(fā)現(xiàn)后就受到了全世界的廣泛關(guān)注,成為時(shí)代的“新寵兒”。石墨烯作為一種由碳原子以sp2雜化形成的六角蜂巢型二維原子晶體,擁有其他材料無(wú)可比擬的獨(dú)特性質(zhì)。石墨烯是已知強(qiáng)度較高的材料之一,其理論楊氏模量達(dá)1.06 TPa,固有的拉伸強(qiáng)度為130 GPa。本征石墨烯在室溫下的載流子遷移率高達(dá)200 000 cm2·V-1·s-1,論值為106 cm2·V-1·s-1,遠(yuǎn)超過(guò)傳統(tǒng)硅材料。此外,石墨烯在已知碳材料中擁有高的熱導(dǎo)率(高達(dá)5300 W·m-1·K-1)、優(yōu)異的光學(xué)特性和巨大的比表面積(2630 m2·g-1),這些特征使其在柔性電子器件、納電子器件、光子傳感器、集成電路、高性能復(fù)合材料及多種能量轉(zhuǎn)換和存儲(chǔ)器件中擁有廣闊的應(yīng)用前景。
由于石墨烯資源豐富、基礎(chǔ)研究實(shí)力強(qiáng)大和相關(guān)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展迅速,中國(guó)一直是石墨烯研究和應(yīng)用開(kāi)發(fā)領(lǐng)域較為活躍的國(guó)家之一。目前,全球石墨烯專(zhuān)利超過(guò)半數(shù)來(lái)自中國(guó),且中國(guó)科研工作者發(fā)表的相關(guān)學(xué)術(shù)論文數(shù)量居于世界前列。此外,在產(chǎn)業(yè)化方面,中國(guó)有望將石墨烯批量應(yīng)用于手機(jī)觸摸屏、導(dǎo)電漿料、防腐涂層及二次電池等領(lǐng)域。毫無(wú)疑問(wèn),石墨烯會(huì)走進(jìn)人們的生活并帶動(dòng)全球新技術(shù)新產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。然而,理論上的可行并不能確保石墨烯產(chǎn)業(yè)化一帆風(fēng)順。一方面,實(shí)驗(yàn)室和工業(yè)批量制備的石墨烯仍存在很多結(jié)構(gòu)和特性方面的缺陷,距離各項(xiàng)理論值仍有較大差距;另一方面,由于成本等問(wèn)題,石墨烯目前仍未有重大規(guī);a(chǎn)業(yè)應(yīng)用,需要更多科研工作者加入到探索石墨烯的隊(duì)伍中來(lái)。
本書(shū)從石墨烯的發(fā)展史出發(fā),深入淺出地介紹了石墨烯的結(jié)構(gòu)、特性、制備方法、化學(xué)修飾與功能化、微結(jié)構(gòu)調(diào)控、組裝技術(shù)以及組裝體在能量轉(zhuǎn)換和儲(chǔ)存等方面的應(yīng)用,各章節(jié)之間的內(nèi)容既相互關(guān)聯(lián),又有各自的側(cè)重點(diǎn),概括了科研工作者們這些年在石墨烯領(lǐng)域的知識(shí)沉淀。此外,本書(shū)著重于介紹化學(xué)手段調(diào)控石墨烯表面化學(xué)、微觀和宏觀結(jié)構(gòu),詳細(xì)闡述了石墨烯的化學(xué)特性、修飾方法及其形成介觀-微觀-宏觀組裝體過(guò)程中涉及的表界面相互作用、組裝原理和技術(shù),適合于石墨烯領(lǐng)域各個(gè)層次、階段的研究人員學(xué)習(xí)和閱讀。
感謝劉忠范院士對(duì)本書(shū)內(nèi)容的指導(dǎo)。感謝課題組高雪、高昆、王嘉琪、梁含雪、韓雨洋、李增領(lǐng)、鐘貴林、盧冰和邵長(zhǎng)香等同學(xué)對(duì)本書(shū)內(nèi)容的收集整理工作。
感謝華東理工大學(xué)出版社對(duì)本書(shū)出版的大力支持,無(wú)諸君,事難成。感謝國(guó)家自然科學(xué)基金中意合作項(xiàng)目NSFC-MAECI)51861135202)資助。
需要指出的是,盡管編者已盡較大努力,但由于石墨烯領(lǐng)域卷帙浩繁且日新月異,書(shū)中難免有疏漏和不足,懇請(qǐng)各位讀者批評(píng)指正。
編者著
2019年4月 于北京良鄉(xiāng)
曲良體,清華大學(xué)教授,國(guó)家杰出青年基金獲得者。圍繞功能結(jié)構(gòu)與材料制備、先進(jìn)能源器件、激光微納制造等方面開(kāi)展研究,在Science, Nature Nanotechnology, Advanced Materials, Journal of the American Chemical Society等國(guó)際重要期刊發(fā)表SCI論文200多篇。受邀請(qǐng)?jiān)贜ature Reviews Materials, Accounts of Chemical Research, Chemical Reviews等撰寫(xiě)綜述論文20余篇,英文專(zhuān)著6章,國(guó)際國(guó)內(nèi)發(fā)明專(zhuān)利30余項(xiàng)。主持科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家基金委項(xiàng)目等多項(xiàng)。
榮獲國(guó)家“百千萬(wàn)人才工程”(2017年)、“萬(wàn)人計(jì)劃”科技創(chuàng)新領(lǐng)軍人才(2016年)、科技部中青年科技創(chuàng)新領(lǐng)軍人才(2014年)、國(guó)家杰出青年科學(xué)基金獲得者(2013年)、教育部霍英東基金獲得者(2009年)、新世紀(jì)優(yōu)秀人才(2009年)、國(guó)家自然科學(xué)二等獎(jiǎng)1項(xiàng)(2016年)第二獲獎(jiǎng)人、教育部自然科學(xué)一等獎(jiǎng)1項(xiàng)(2014年)第五獲獎(jiǎng)人。
第1章 石墨烯物理與化學(xué)
1.1 石墨烯發(fā)展史
1.2 石墨烯結(jié)構(gòu)與特性
1.2.1 石墨烯的電子能帶結(jié)構(gòu)
1.2.2 石墨烯特性
1.3 石墨烯化學(xué)反應(yīng)
1.3.1 石墨烯電子能帶結(jié)構(gòu)對(duì)化學(xué)反應(yīng)性的影響
1.3.2 石墨烯共價(jià)官能化
1.3.3 石墨烯非共價(jià)官能化
1.4 石墨烯微結(jié)構(gòu)化與宏觀組裝結(jié)構(gòu)
1.4.1 石墨烯微結(jié)構(gòu)化
1.4.2 石墨烯宏觀組裝結(jié)構(gòu)
1.5 石墨烯的應(yīng)用
第2章 石墨烯的制備
2.1 氧化還原法
2.1.1 原理
2.1.2 氧化石墨烯的發(fā)展歷史
2.1.3 氧化石墨的制備
2.1.4 氧化石墨的剝離
2.1.5 氧化石墨烯的還原
2.1.6 總結(jié)
2.2 插層/剝離法
2.2.1 插層法
2.2.2 剝離法
2.3 電化學(xué)法 (
2.3.1 電化學(xué)剝離法
2.3.2 電化學(xué)還原法
2.4 有機(jī)精準(zhǔn)合成
2.5 化學(xué)氣相沉積法
2.5.1 化學(xué)氣相沉積法的基本原理
2.5.2 化學(xué)氣相沉積法進(jìn)展
2.5.3 化學(xué)氣相沉積法制備雜原子摻雜石墨烯
2.5.4 石墨烯的轉(zhuǎn)移技術(shù)
2.6 其他方法
2.6.1 犛犻犆外延生長(zhǎng)法
2.6.2 溶劑熱法
2.6.3 烷基鋰還原法
2.6.4 激光誘導(dǎo)法
2.7 總結(jié)和展望
第3章
3.1 氧化石墨烯的修飾
3.1.1 基于羧基的反應(yīng)
3.1.2 基于羥基的反應(yīng)
3.1.3 基于環(huán)氧基的反應(yīng)
3.2 化學(xué)摻雜石墨烯
3.2.1 表面轉(zhuǎn)移摻雜
3.2.2 取代摻雜
3.3 石墨烯的共價(jià)與非共價(jià)改性
3.3.1 共價(jià)改性石墨烯
3.3.2 非共價(jià)改性石墨烯
3.4 石墨烯功能復(fù)合物
3.4.1 石墨烯與有機(jī)高分子復(fù)合
3.4.2 石墨烯與無(wú)機(jī)物復(fù)合材料
4.1 石墨烯量子點(diǎn)
4.1.1 石墨烯量子點(diǎn)的制備
4.1.2 石墨烯量子點(diǎn)的物理性質(zhì)
4.1.3 石墨烯量子點(diǎn)的應(yīng)用
4.2 褶皺石墨烯
4.2.1 石墨烯褶皺的分類(lèi)
4.2.2 石墨烯褶皺的形成以及影響因素
4.2.3 褶皺石墨烯的性質(zhì)及其應(yīng)用
4.3 石墨烯納米帶
4.3.1 石墨烯納米帶制備方法
4.3.2 石墨烯納米帶結(jié)構(gòu)及性質(zhì)
4.3.3 基于石墨烯納米帶的應(yīng)用
4.4 石墨烯網(wǎng)
4.4.1 石墨烯網(wǎng)制備方法
4.4.2 石墨烯網(wǎng)的性質(zhì)
4.4.3 應(yīng)用
第5章 石墨烯組裝技術(shù)
5.1 模板輔助組裝技術(shù)
5.1.1 基于化學(xué)氣相沉積(CVD)的組裝法
5.1.2 涂布組裝法
5.1.3 模板法
5.1.4 碳納米管(CNT)纖維組裝法
5.2 空間限域組裝技術(shù)
5.2.1 過(guò)濾組裝法
5.2.2 流體導(dǎo)向紡絲法
5.3 界面自組裝技術(shù)
5.3.1 Langmuir-Blodgett(LB)自組裝
5.3.2 蒸發(fā)誘導(dǎo)自組裝
5.3.3 靜電組裝法
5.4 濕法組裝技術(shù)
5.4.1 液晶濕紡法制備石墨烯纖維
5.4.2 水熱組裝技術(shù)
5.5 其他組裝技術(shù)
5.5.1 電化學(xué)組裝技術(shù)
5.5.2 氧化還原輔助組裝法
第6章 石墨烯組裝體在能量轉(zhuǎn)換與存儲(chǔ)器件中的應(yīng)用
6.1 石墨烯組裝體在能量轉(zhuǎn)換中的應(yīng)用
6.1.1 納米發(fā)電機(jī)
6.1.2 驅(qū)動(dòng)器
6.1.3 石墨烯組裝體在燃料電池中的應(yīng)用
6.1.4 石墨烯組裝體用于水分解
6.1.5 太陽(yáng)能電池
6.1.6 電熱膜
6.2 石墨烯組裝體在能量存儲(chǔ)器件中的應(yīng)用
6.2.1 超級(jí)電容器
6.2.2 鋰離子電池
6.2.3 鈉離子電池
6.2.4 鋰硫電池
6.2.5 金屬/空氣電池
6.3 環(huán)境應(yīng)用
6.3.1 污染物吸附
6.3.2 光催化劑降解污染物
6.3.3 水脫鹽
6.3.4 油水分離
6.3.5 殺菌抗菌
6.3.6 環(huán)境監(jiān)測(cè)
6.3.7 防腐涂層
6.4 電子材料
6.4.1 透明電極
6.4.2 電子器件
6.4.3 電磁屏蔽/吸波材料
展望與暢想
參考文獻(xiàn)
索引