第1章 了解石墨烯

身份

顧名思義，“石墨烯”與“石墨”是有淵源的。簡(jiǎn)單說，石墨烯是單層石墨層片，是構(gòu)成石墨的基本結(jié)構(gòu)單元。如果把石墨比作一本書，石墨烯就是其中的一頁。

碳的同素異形體

石墨烯是碳的一種同素異形體

在解讀“石墨烯”之前，先來看看碳有哪些同素異形體，石墨烯和這些同素異形體之間又有什么關(guān)系？

碳是自然萬物的重要組成部分，也是構(gòu)成生命有機(jī)體的重要元素。同素異形體是指由單一化學(xué)元素組成，因排列方式不同，而具有不同性質(zhì)的單質(zhì)。在碳的同素異形體中，石墨和金剛石是典型代表，它們擁有相同的“質(zhì)”——都由碳元素組成，但“形”或“性”有著天壤之別。

提到金剛石，可能會(huì)想到光彩奪目、閃爍耀眼的精美飾品，以及它昂貴的價(jià)格；提到石墨，可能會(huì)想到黑乎乎、滑膩膩的碳棒。純凈的金剛石是無色透明的正八面體狀固體，而石墨則是深灰色、有金屬光澤卻不透明的細(xì)鱗片狀固體。相比于金剛石，石墨要柔軟得多，在紙上涂寫可留下黑黑的痕跡（見圖1-1）。

20世紀(jì)80年代，納米材料科學(xué)與技術(shù)得到了極大的發(fā)展，納米碳材料登上舞臺(tái)。1985年，三位科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了一種由60個(gè)碳原子構(gòu)成的類似“足球”的碳分子——C60。隨后，C70、C86等大分子相繼出現(xiàn)，組成碳家族一大類新成員——富勒烯。C60的三位發(fā)現(xiàn)者于1996年獲得了諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。

1991年，由石墨層片卷曲而成的碳的一維結(jié)構(gòu)——碳納米管被發(fā)現(xiàn)，它的發(fā)現(xiàn)者飯島澄男（Sumio Iijima）于2008年獲得卡弗里獎(jiǎng)。在石墨烯被發(fā)現(xiàn)之前，碳的同素異形體主要包括石墨、金剛石、富勒烯和碳納米管。碳家族之所以如此豐富，是因?yàn)樘荚鼐哂袠O強(qiáng)的成鍵能力，在化學(xué)反應(yīng)中表現(xiàn)出極豐富的成鍵形態(tài)，包括零維（富勒烯）、一維（碳納米管）、二維（石墨烯）、三維（金剛石、石墨），以及眾多已被發(fā)現(xiàn)但結(jié)構(gòu)未知的同素異形體和尚未被發(fā)現(xiàn)的潛在的同素異形體（見圖1-2）。

提示與啟發(fā)

還有哪些碳的同素異形體？

拓展知識(shí)

石墨烯在地球上具有豐富的儲(chǔ)量嗎？

碳家族的新成員

石墨烯是一種二維材料

石墨烯是由碳原子緊密排列成苯環(huán)結(jié)構(gòu)而形成的單原子層結(jié)構(gòu)，如同一個(gè)尺寸無限大的芳香族分子。從石墨到石墨烯，是一個(gè)由“量變到質(zhì)變”的轉(zhuǎn)變過程。石墨烯是石墨在厚度上減小至極限的狀態(tài)（見圖1-3），但不能將石墨烯簡(jiǎn)單地理解為“被剪薄的石墨”。對(duì)比石墨烯的英文名稱（Graphene）和富勒烯的英文名稱（Fullerene），會(huì)發(fā)現(xiàn)這兩者都帶有后綴“-ene”，這個(gè)后綴在化學(xué)上用于有機(jī)化學(xué)中“烯”的命名，說明石墨烯與烯類分子存在一定聯(lián)系。但也不能將石墨烯看作“有機(jī)大分子”，因?yàn)槭菬o機(jī)材料。

石墨烯是一種二維材料，也就是說它在平面空間內(nèi)可以無限延展，而在與平面垂直的方向上僅有一個(gè)原子厚。石墨烯的出現(xiàn)使碳的同素異形體呈現(xiàn)點(diǎn)、線、面、體（從零維到三維）的豐富形態(tài)。換句話說，以石墨烯為原料，經(jīng)多樣化的排列、造型，可形成多種維度、不同結(jié)構(gòu)的碳材料。其實(shí)，石墨烯是除金剛石外所有碳晶體[1]的基本結(jié)構(gòu)單元。完美的石墨烯僅包括六邊形單元，是十分穩(wěn)定的。如圖1-4所示，石墨烯可以團(tuán)聚成零維的富勒烯，卷曲成一維的碳納米管，堆疊形成三維的石墨，因此可以說石墨烯是構(gòu)建其他維度碳材料的基本單元。甚至具有非晶結(jié)構(gòu)的活性炭，也可以看作由無數(shù)細(xì)小的石墨烯層片堆疊而成的。

早在1995年，國(guó)際純粹與應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會(huì)（International Union of Pure and Applied Chemistry，IUPAC）就將這種單原子層石墨正式命名為“石墨烯”。通過高倍電子顯微鏡觀察，可以看到石墨烯薄片相互折疊在一起（見圖1-5）。

提示與啟發(fā)

理解維度的概念：零維、一維、二維、三維的含義。

拓展知識(shí)

石墨烯、富勒烯、碳納米管在結(jié)構(gòu)上有什么異同？