碳元素（C）廣泛存在于自然界中，并且是一種與所有生命體都息息相關的重要元素，其電子軌道雜化的多樣性（sp、sp2、sp3雜化）使得以碳元素為唯一構成元素的同素異形體材料具有各式各樣的存在形式。早在1985年Kroto等人發現了零維碳單質材料富勒烯；接著，1991年Iijima發現了一維碳單質材料碳納米管；此后，碳材料便成為了材料科學界的研究熱點。2004年英國曼徹斯特大學物理學家AndreGeim和KonstantinNovoselov利用簡單的膠帶機械剝離法首次成功制得了以sp2雜化構成的單原子層二維碳單質石墨烯[3]。石墨烯可以理解為是其他幾種碳單質同素異形體材料的基本組成單元，包括零維富勒烯、一維碳納米管以及三維石墨。

一、石墨烯的結構與性能

石墨烯作為一種新型的碳納米材料，是由碳原子構成的單層苯環結構（六方點陣蜂巢狀）二維晶體碳單質，這樣的結構非常穩定。理想的石墨烯結構中，每個碳原子均與相鄰的碳原子之間形成相當牢固的σ鍵，而剩余的那個未成鍵p電子則在垂直于石墨烯平面的方向上，也就形成了sp2雜化軌道，并形成了貫穿全層的大π鍵，便于電子自由移動，因此石墨烯有了金屬般的特性，導電性能十分優異。單層石墨烯厚度只有一個碳原子厚，約為0.335nm，是目前已知的最輕薄的一種材料，其具有很多碳材料所不具備的超強特性。石墨烯中碳原子之間的作用力較小，當施加有外力時，整個大平面就會隨之發生彎曲變形，繼而保障了石墨烯結構的穩定性，使其成為目前世界上強度最高的物質，比金剛石還要堅硬。石墨烯是自然界最薄最堅韌的材料，其理論比表面積高達2630m2/g，并且兼具非比尋常的的導熱性能3000W/(m·K)、力學性能1060GPa，以及室溫下的高電子遷移率15000cm2/Vs；石墨烯幾乎完全透明，只吸收大約2.3%的光，同時它還具有一些其他優異特性，譬如非定域性、量子力學效應和雙極性電場等。

石墨烯憑借其無與倫比的特性已然成為先進材料領域的寵兒，以高校、科研機構和各大企業為主力軍的石墨烯材料基礎研究和應用探索正如火如荼地開展著，與此同時，各國政府也都大力推動石墨烯材料的相關研發以及產業化。根據WebofScience的數據統計，近十年來，以石墨烯為主題的相關文章共發表了有9萬多篇，并以逐年增長的趨勢不斷增加，可見科學界對石墨烯材料的關注度一直有增無減（詳見圖1所示）。同樣根據WebofScience的數據統計，是按照國別統計的自1986年至今的以“石墨烯”為主題的相關文章發表情況（詳見圖2所示）。由圖清晰可見，中美日韓歐洲和新加坡等科研大國對石墨烯的關注度非常高，相對文章發表數量也排在前列；除此之外，印度，伊朗等并不發達的國家同樣也對石墨烯材料有很高的關注度，可見石墨烯的研究熱潮足已影響全球。值得一提的是，我國的石墨烯相關文章發表數量不僅穩居榜首，還以36841篇這樣的大數字比名列第2的美國發表數量18113的2倍還要多，占了全球的42.9%。由此可見，在全球范圍內的石墨烯相關研究探索中，我國占有舉足輕重的地位，同時也受到了我國政府的高度重視！

二、石墨烯的制備方法

石墨烯最早的制備采用的是機械剝離法，近年來石墨烯的多種制備方法不斷被改進完善，力求能夠批量制備出層數可控、大面積、高質量、低成本的優質石墨烯。石墨烯的制備方法基本上可分為物理和化學方法，其中包括機械剝離法、外延生長法、化學氣相沉積法、氧化還原法以及一些其他方法。

1.機械剝離法

顧名思義，就是利用外加的物理作用力剝離石墨烯片獲得石墨烯。英國曼徹斯特大學2位獲得諾貝爾獎的物理學家AndreGeim和KonstantinNovoselov就是利用了這個原理，反復用膠帶刮擦高定向熱解石墨，直到獲得單層石墨烯。這種方法工藝簡單、制作成本低、獲得的石墨烯質量和性能較其他制備方法得到的石墨烯都是最好的，但用此方法制備的石墨烯材料偶然性大重復性差，可控性不強，不易實現大規模生產，無法滿足工業化生產需求，特別適合于進行石墨烯的基本物理和本征性質研究。

2.外延生長法

在單晶表面外延生長石墨烯，再通過化學刻蝕的方法將其從基片上面轉移下來。通常是在高真空或常壓下高溫加熱碳化硅（SiC），表面的Si硅原子氣化脫附之后，余下的碳原子在冷卻時就會重新堆積，從而形成一層石墨烯。此法可以大面積制備質量僅次于機械剝離法獲得的石墨烯，但SiC單晶表面結構復雜，很難得到大面積、厚度均一的石墨烯。

3.化學氣相沉積法

這是一種通過化學反應高溫分解含碳的化合物在基片上生產石墨烯的技術方法；通常加熱各種碳源氣體（如乙烯，甲烷等）、液體（苯類）甚至固體（高分子等）材料到一定溫度后，碳原子會在一些金屬表面生成石墨烯。此法與外延生長法在機理上有類似之處。采用這一方法制備石墨烯時，最常用的金屬基板是銅，因為在銅薄膜上可以相對容易地制備出單層石墨烯。此法制備的石墨烯成膜品質高、層數可控、帶隙可調、產量大，但成本高、需要轉移。

4.氧化還原法

當石墨與強氧化劑反應后，會在邊緣處修飾上一些官能團，或者在石墨的層間插入一些物質，這樣就能更容易地剝離出單層的氧化石墨烯，進而還原得到石墨烯[9]。此法簡便且成本較低、產量較大，因此被廣泛采用，也是宏量制備石墨烯材料最有效的方法之一，但由于制得的石墨烯往往會引入大量的官能團，較為嚴重地破壞了石墨烯材料本身優異的物理性能，也就一定程度上影響了石墨烯本該擁有的優異電子性能，限制了以此法制得的石墨烯在精密微電子領域的應用。

石墨烯的制備是石墨烯能否順利走向應用至關重要的一步，如何實現宏量制備大尺寸、高質量、低成本的優質石墨烯關系到產業化進程的速度。目前，石墨烯的制備方法在不斷地被刷新改進，但每種制備方法都有其各自的優勢和缺陷，如表1所示，簡單對比了以上幾種制備方法的工藝優劣。石墨烯制備工藝上的突破將會極大地推動其相關的應用研究，并能帶動相關學科的深入研究。

三、石墨烯的前沿應用

石墨烯以其精妙的結構特點和無與倫比的各項性能，使其在應用方面具有非常廣闊的前景，并已在眾多前沿領域有了初步成果，如圖4所示。本文主要從高性能石墨烯復合材料、石墨烯環境凈化材料、石墨烯儲能電極、石墨烯柔性透明電極、石墨烯在生物醫藥領域以及方面這幾個與生活息息相關且有望率先實現應用的方面簡單地進行介紹。

1.高性能石墨烯復合材料

復合材料是由2種或2種以上不同性質的材料通過物理或化學方法在宏觀或微觀上組成的具有新性能的材料，不同材料之間可以在性能上互補，產生一定的協同效應，進而提高復合材料的綜合性能，滿足各種各樣的使用需求。石墨烯得天獨厚的優異物理性能尤其是力學性能使得它對復合物基體材料的物理性能有很大的改善和提高，特別是在增強増韌復合物基體材料方面的作用十分顯著；陶瓷、水泥、金屬以及聚合物這些傳統材料在引入石墨烯形成復合材料后，物理性能均有顯著的提高。例如，石墨烯加入到陶瓷基體后可以大幅提高陶瓷基復合材料的機械性能，尤其是對斷裂韌性增強方面的效果十分顯著；這主要是石墨烯可以起到細化陶瓷晶粒、使其形成更加致密的結構和阻礙陶瓷裂紋擴展的積極作用，研究表明石墨烯對陶瓷基體力學性能的提高非常有效。而在金屬基體中引入石墨烯片后，也同樣可以很大程度上提高金屬基體材料的物理性能。

眾所周知，金屬材料的熱學、電學性能已經十分優異，當然不希望引入石墨烯后犧牲其原有的優勢特性；然而研究表明，引入石墨烯后，幾乎不影響甚至還能夠提高金屬基體材料的熱學以及電學性能；在石墨烯增強鋁基、鎳基以及銅基復合材料方面已經取得了一定的進展。與此同時，石墨烯還常被用來增強聚合物材料；通常，石墨烯經過改性和還原后可以在聚合物基體中形成納米級分散從而很好地改善聚合物基體復合材料的力學性能，例如拉伸強度、斷裂伸長率、硬度等方面；石墨烯聚合物復合材料由于擁有較大的比表面積和出眾的力學性能，經過大量的探索研究，已經可以得到結構上和功能上的優良體系。研究表明，完美石墨烯片層的本征強度約為130GPa，彈性模量約為1.0Tpa（采用AFM的納米壓痕技術）；Gudarzi科研小組[14]曾制備能夠達到分子水平分散的石墨烯聚合物復合材料，他們發現石墨烯的質量分數僅僅為2%時，復合材料的模數和硬度就已經分別增長了522%和242%，由此可見石墨烯片層對于聚合物基體力學性能增強方面有著顯著地優勢和巨大的潛力。

高性能石墨烯復合材料的出現為開發研制新型輕量化高強度飛行器提供了可靠的材料支持，它的應用不僅可以大幅降低質量，降低成本，同時還大大增強了飛行器外殼的力學性能和耐腐蝕性能等綜合性能，在特種航天領域的應用前景廣泛。

2.石墨烯環境凈化材料

石墨烯由于獨特的單原子層二維結構和高比表面積等優異性能而被用作選擇性分離膜和吸附劑，在空氣凈化、污水處理和海水淡化等領域具有廣闊的應用前景。石墨烯的表面疏水性強，對有機物吸附質表現出了優異的吸附能力，相比石墨烯，氧化石墨烯含有豐富的含氧基團，能夠高效地與金屬離子作用，其重金屬離子吸附性能明顯優于石墨烯。通過在石墨烯上打孔并控制納米孔的尺寸、形狀和不同功能化，能夠調控石墨烯對水、氣體和離子的選擇分離性能。石墨烯與金屬氧化物或生物材料等構成的復合材料，不僅對金屬離子的吸附具備高度選擇性，而且通過負載光催化材料，可有效降解有機染料。除此之外，三維石墨烯的水處理與海水淡化能力也備受關注。三維石墨烯不僅易制備、孔隙率高，在保持對重金屬離子高吸附量的同時還能夠克服石墨烯和氧化石墨烯等納米吸附劑易團聚、不易分離和殘余納米生物毒性等缺點。而且，三維石墨烯多孔、密度小、疏水等優點使得其在處理工業油污時具有很好的應用潛力。

3.石墨烯儲能電極材料

鋰離子電池已廣泛應用于日常生活中作為各種便攜式電子產品，節能電器或汽車的動力來源。隨著電子設備的迅猛發展，他們對配套鋰離子電池的要求也越來越高，科研工作者們開始致力于提高傳統鋰離子電池的能量密度、安全性以及持久性，同時力爭降低成本。摻雜有石墨烯的半導體/石墨烯復合材料由于其優異的導電性能，較大的比表面積和良好的化學穩定性等優勢，有望取代石墨電極成為理想的鋰離子電池陽極材料。

超級電容器是另一大類先進能量存儲裝置，它通常具有高功率電容、長壽命、快電荷傳輸速率以及低維護等優勢，但其在儲能方面仍然遜色于燃料電池和鋰離子電池，那么開發高儲能性能的超級電容器就顯得格外必要。眾所周知，電極材料是超級電容器的關鍵所在，作為其電極材料要求具有較高的比表面積、良好的導電性能，然而石墨烯獨特的結構特點賦予它許多優異特性，諸如高導電性、高比表面積、高比強度等，這些優異特性剛好可以很好地滿足超級電容器對電極材料的需求。

4.石墨烯柔性透明電極

能源危機是全球面臨的一大難題，各個國家通過各種各樣的方法試圖解決這一問題，目前最有效的方法就是可再生資源的開發利用，其中，太陽能作為潛力巨大的清潔能源而備受矚目。近幾年，人們也加大了對于各種類型太陽電池的開發力度，太陽電池也逐步傾向于“輕薄，透明，可卷曲，可大面積制備”的大方向而發展。眾所周知，要想實現太陽電池的柔性以及整體的透明性，運用柔性透明電極是必不可少的；那么，柔性透明電極材料的應用就至關重要，這類材料應具備透明度高、質量輕、柔性好、制造成本低等優點！目前常用的透明電極材料多為氧化銦錫（ITO），又稱為導電玻璃，但其里面的金屬離子很容易自發擴散，ITO的熱穩定性也較差且對紅外光譜有較強的吸收性。ITO在作為透明電極使用時需在表面鍍層鉑（Pt）來增強導電性，這大大增加了太陽電池的成本。這些問題制約著柔性太陽電池透明電極的發展，人們急需尋找可替代ITO的透明電極材料以推動太陽電池的產業化進程。

如前文所述，石墨烯作為一種新型二維碳材料，它的厚度極薄、透光性良好（透明度>85%），并且其擁有近乎完美的雜化結構，大的共軛體系使其電子傳輸能力非常優異，室溫下其電子遷移率高達15000cm2/Vs。石墨烯不僅擁有良好的導電性能，還可以很好地與有機材料兼容，其與有機材料的接觸電阻小，以有機材料并五苯為例，不同電極材料的接觸電阻如表2所示，因此石墨烯材料可以作為很好的電極材料，有望取代目前的商業標準氧化銦錫。劉云圻科研小組曾在并五苯制備的有機場效應晶體管（OFET）中，利用石墨烯材料制備了電極，并對晶體管的各項性能進行了詳細的研究[26]。他們發現當用石墨烯/銅，石墨烯/銀做電極時，遷移率可高達0.47～0.53cm2/Vs，而相同條件下單純用金屬電極無法達到如此高的遷移率。陳永勝、Mullen等科研小組都曾制備過石墨烯薄膜，厚度均可<20nm，透過率>70%，他們都將其應用于太陽電池陰極。也有科研小組在柔性透明的聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）襯底上用旋涂法涂覆上還原氧化石墨烯，并將其作為柔性有機聚合物太陽電池的透明電極使用，如圖5所示。此透明電極的透過率最高可達88%，并且所對應的石墨烯的厚度僅僅只有4nm，表面電阻率為16Ω/sq(右圖中Al為鋁電極，TiO2為二氧化鈦傳輸層，P3HT:PCBM為給受體活性層，PEDOT:PSS為聚合物傳輸層，rGO為石墨烯透明電極，PETsubstrate為PET襯底)。

通過化學摻雜，石墨烯材料制備的透明電極的透過率和導電性均可超過ITO，其具備匹配的功函數、高機械強度、強熱穩定性以及化學穩定性。石墨烯作為透明電極材料時較傳統的ITO相比，在透過率和面電阻間有更大的協調空間，可根據不同的工作環境，調整得到最優平衡條件來實現光電轉換效率的最大化。總之，石墨烯作為透明電極材料可以獲得比傳統ITO更好的綜合性能，在太陽電池的應用方面具有十分顯著的優勢，尤其在柔性太陽電池的發展方面具有重大意義和巨大的發展前景。

4.生物醫藥領域

石墨烯材料在生物醫藥領域的應用十分廣泛，其中氧化石墨烯可以用來制備納米抗菌生物材料，研究表明，其抗菌性主要來源于其對大腸桿菌細胞膜的破壞，氧化石墨烯納米懸浮液在于大腸桿菌孵育2h后，對其抑制率超過了90%，且氧化石墨烯對哺乳動物細胞產生的毒性極小。眾所周知，石墨烯的比表面積大、電導率高，為電子傳輸提供了良好的二維環境，這些特點不僅可以應用于太陽電池的電極中，也使其成為了電化學生物傳感器材料的最佳選擇，并被廣泛應用于檢測各類生物質。其超大的比表面積、易于功能化的特點還使其具有卓越的特異性吸附性能，其可去除水中的重金屬、抗生素以及農業制品中的污染物等。

除此之外，石墨烯的部分雙鍵一旦被氧化便會轉化為石墨烯氧化物，其所攜帶的羥基、羧基、環氧基、羰基等親水性功能團使得石墨烯氧化物具有較高的水溶性，可穩定存在于水溶液或者生理鹽水中，石墨烯宏觀體還兼具化學純度高、毒性低、比表面積大、易功能化等特點，有望在將來作為藥物載體實現靜脈注射。曾有人制備了一種兩親性的石墨烯基復合材料，在還原氧化石墨烯的表面吸附上聚乙二醇氧化聚乙烯，進而在石墨烯的表面形成了一層兩親性的外表層，研究表明這種新型的復合材料的生物相容性非常好，在血漿等其他生理環境中能夠穩定地分散并有望作為藥物運輸的載體。近年來，類似的相關研究非常多，功能化的以石墨烯為母體材料的衍生材料均具有良好地生物相容性以及優異的環境適應性，能夠穩定地分散于血漿等生物體環境，且對環境的pH值極敏感，能夠對藥物選擇性地釋放。因此，功能化的石墨烯基材料在組織工程、藥物運輸、有機污染物吸附等生物醫藥領域擁有良好的應用前景。

石墨烯由于其獨特的結構和優異的性能，自從誕生以來就備受關注。它質量輕、強度高、導電導熱性能好，有望在不久的將來用來開發超輕薄型的特種航天材料、超堅韌的防彈衣、各類先進的電子元器件，生物醫藥相關產品，甚至可以實現讓幾代科學家們夢寐以求的太空電梯。然而，要想使石墨烯材料盡早地實現產業化，真正為人們所用，首先要能夠大批量地制備出形狀層數可控、沒有缺陷的高質量石墨烯，這是現階段制約石墨烯應用發展的關鍵問題所在，也是非常值得我們材料科學工作者們深入研究的熱點方向。