二石墨烯其物理性质

1、石墨烯材料的结构

1-1、石墨烯的结构

石墨烯是一种从石墨材料中剥离出的碳原子紧密堆积成单层二维蜂窝状晶格结构的炭材料。石墨烯在原子尺度上结构非常特殊，必须用相对论量子物理学才能描绘。

碳原子中的四个绕核电子轨道分布在一个平面上。碳分子是几个碳原子在平面上的连接和展开，所以，碳分子与碳原子的薄度相似，只是平面更大了一些而已。碳原子或碳分子中的绕核电子只是在碳原子核的径方向面上存在着和运动着，就像土星中的光环，土星的两极方向是没有光环的，即，碳原子核两极的轴方向上是没有绕核电子的。 单层石墨由交替的单双键构成，类似于有机中的多烯烃，故得名。其实这是一种习惯命名。烯是烃的一种，烃指的是碳氢化合物，而石墨烯明显不含氢元素。但我们可以看到，苯，C6H6，在经典价键理论中可以被命名为1，3，5-环己三烯，两个苯环共边形成了萘（卫生球），C10H8，三个苯环共边形成了蒽和菲，C14H10，分子中氢元素的含量在不断下降，当这种形式无限扩展时，整个分子都由这种共边的苯环构成，边缘的氢分子几乎可以忽略，也就形成了石墨烯的结构。换句话说，石墨烯是由基本的烃的无限延伸的产物，所以也称之为烯。 理想的石墨烯结构如图1A所示，具有正六边形蜂窝晶形结构的碳原子间以σ键相连，每一个碳原子由一个π轨道及一个核外电子共同

组成了一个离域的大π键。石墨就是由图1A所示的单层石墨烯堆积形成的层状材料，层与层间考范德华作用力连接。

2004年石墨烯在实验室被制备出来之前，相关研究认为石墨烯只能是一个理论上的材料，不能够单独稳定地存在，但2004年K.S.Novoselov等通过机械剥离法将高定向热解石墨层层剥离最终得到能稳定存在的单层石墨烯。对此，J.C.Meyer等通过实验模型，并利用透射电镜对石墨烯结构进行了进一步的研究，揭示出了自由分散的石墨烯具有带波纹状结构的单层结构，波纹状层状高度落差为0.7-1.0nm左右，而横截面长度为8-10nm左右，如图1B所示。由于石墨烯的皱褶波纹结构大大降低了它的表面能，因而能够稳定存在。2004年前相关理论的缺欠，就在没有考虑到石墨烯的褶皱波纹结构。 石墨烯是当今世界已发现的最薄的材料，这种石墨晶体薄膜的厚度只有0.335纳米 （一个原子的直径，10的-10次方），把20万片薄膜叠加到一起，也只有一根头发丝那么厚。但这个厚度数据来源于石墨的层间距，并不严格。因为单层石墨烯的厚度不仅受其褶皱波纹结构的影响，还与测量时放置石墨烯的基体材料有关。例如，原子力显微镜测量单层石墨烯的厚度为0.6-1.0nm。

A)理想结构

B)实际结构 图1石墨烯的结构

1-2、氧化石墨烯的结构

石墨烯由于强大的范德华力具有疏水性和易团聚的特点，限制了其广泛应用。氧化石墨烯的出现正好解决了上述问题，氧化石墨烯( Graphene Oxide，GO) 是石墨烯的一种衍生物，是由氧化石墨发生剥离而形成的单层或多层氧化石墨，具有典型的准二维空间结构，其片层上含有很多含氧基团，具有较高的比表面能、良好的亲水性和机械性能，在水和大多数极性有机溶剂中具有很好的分散稳定性。