序

碳在元素周期表中排第六位，是第二周期第Ⅳ族主族元素。碳原子擁有六個核外電子，其電子構型為1s²2s²2p²，最外層有四個價電子。兩個碳原子通過sp3、sp2和sp雜化，分別可以形成C—C單鍵、C=C雙鍵和C≡C叁鍵。正是由于碳元素的電子結構和不同的碳碳鍵成鍵方式，造就了碳材料結構的奇特性和種類的多樣性。無論是價值連城、堅硬無比的鉆石，烏黑柔軟的石墨，還是被稱為固體石油的煤都由碳元素構成。不僅如此，數以千萬計的有機化合物和具有無窮奧妙的生命體，它們的主體元素也是碳。近年來，隨著納米材料科學的飛速發展，碳家族不斷添加新成員。1985年羅伯特·柯爾（Robert F.Curl）等人制備出了C₆₀，其結構和建筑師富勒（Fuller）的代表作相似，所以稱為富勒烯（Fullerene）。哈羅德·克羅托（Harold W.Kroto）、理查德·斯莫利（Richard E.Smalley）和羅伯特·柯爾亦因共同發現C₆₀并確認和證實其結構而獲得1996年諾貝爾化學獎。1991年日本電子公司的飯島澄男（Sumio Iijima）博士發現了碳納米管。2004年，英國曼徹斯特大學物理學家安德烈·海姆（Andre K.Geim）和康斯坦丁·諾沃肖洛夫（Konstantin S.Novoselov），成功地從石墨中剝離出石墨烯，兩人也因此共同獲得2010年諾貝爾物理學獎。零維的富勒烯、一維的碳納米管、二維的石墨烯及三維的石墨和金剛石構成了完整的碳系家族，尤其是二維的石墨烯已成為該家族中一顆耀眼的科學明星。

石墨烯是由一層碳原子構成的周期六方點陣蜂窩狀二維晶體。其中每個碳原子與其他3個碳原子通過σ鍵相連接，剩余的1個p電子軌道垂直于石墨烯平面，每個碳原子貢獻1個未成鍵的π電子，與周圍的原子形成π共軛的網絡結構。與其他碳材料相比，石墨烯具有完美的大π共軛體系和最薄的單層原子厚度的結構，這使得石墨烯擁有非常優異和獨特的光、電、磁、力等物理性能和化學性能，致使石墨烯材料在高性能復合材料、智能材料、電子器件、太陽能電池、能量儲存裝置和藥物載體等領域具有極其廣闊的應用前景。為此，各國的政府、高等院校、科研院所和企業進行了大量的人力、物力和財力的投資。英國是石墨烯的故鄉，2013年英國政府投資6100萬英鎊在曼徹斯特大學創建國家石墨烯研究院，以使英國在石墨烯研究方面繼續保持世界領先水平。2015年英國政府又投資6000萬英鎊同樣在曼徹斯特大學成立石墨烯工程創新中心，旨在打造新的尖端石墨烯研究設施，實現“發現在英國”“制造也在英國”的國家目標。2015年歐洲提出石墨烯旗艦計劃，預計10年累計投資10億英鎊，旨在把石墨烯及相關二維材料從實驗室推廣到社會應用中。美國“國家納米技術計劃”將石墨烯作為重要組成部分，2004～2013年間美國國家自然科學基金會資助了近500項石墨烯研究項目。我國對石墨烯的研究和應用開發高度重視，僅科學技術部（科技部）國家重點基礎研究發展計劃（973計劃）就先后立項三項；2015年11月，工業和信息化部聯合國家發展和改革委員會、科技部出臺了《關于加快石墨烯產業創新發展的若干意見》，提出我國石墨烯材料未來5年的發展目標。目前，我國已成為石墨烯研究和應用開發最為活躍的國家之一。數據顯示，我國發表的研究論文數、申請的專利數均為全球第一，其中專利數占全世界的1/3。

在這樣的背景下，《石墨烯：從基礎到應用》一書應運而生。當今，出版一本介紹石墨烯的基本知識，全面分析和總結已經取得的大量成果，正確把握未來的研究和發展方向，促進和開拓石墨烯獨特性能的實際應用的高質量專著非常及時，也很有必要。本書的作者長期專注于石墨烯的研究工作，在石墨烯的制備，結構表征，化學反應，光、電、磁性能研究，以及石墨烯在復合材料、能源材料和工業應用等方面取得了一系列優秀的成果，受到國內外同行的關注和肯定。在此基礎上，他們經過認真分析、歸納、思考，最終寫成《石墨烯：從基礎到應用》一書。相信本書出版后，無論是從事石墨烯研究與開發的科技工作者，還是對石墨烯感興趣的大學生、研究生、企業家以及管理人員，都會從本書中獲得知識、得到啟發，進而提升我國石墨烯的原始創新能力，推進石墨烯產業化的發展，實現從跟蹤、追趕到并跑、再到領跑的目標。

中國科學院院士

北京大學教授