石墨烯的化学研究进展_傅强

2009年第54卷第18期: 2657 ~ 2666

评述

《中国科学》杂志社

SCIENCE IN CHINA PRESS

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石墨烯的化学研究进展

傅强, 包信和

中国科学院大连化学物理研究所, 催化基础国家重点实验室, 大连116023 E-mail: qfu@dicp.ac.cn; xhbao@dicp.ac.cn 2009-07-12收稿, 2009-09-02接受

国家自然科学基金(批准号: 20603037, 20733008, 20873143 )、国家重点基础研究发展计划(编号: 2007CB815205)和中国科学院 “百人计划”资助项目

摘要评述了近3年来在石墨烯(graphene)制备化学、石墨烯化学改性、石墨烯表面化学和催化等方面取得的重要进展. 阐述了通过化学方法实现非支撑(freestanding)或准非支撑(quasifree- standing)石墨烯结构的可控和规模制备; 通过表面反应对石墨烯进行掺杂和官能化, 制备了石墨烷、石墨烯氧化物等具有特殊结构和性质的石墨烯相关化合物; 这些石墨烯及石墨烯相关材料(graphene and related materials)在催化、储氢等领域展现出非常重要的应用前景.

关键词石墨烯石墨烯氧化物石墨烷石墨烯掺杂碳纳米管碳催化

两维晶体在平面内有无限重复的周期结构, 但在垂直于平面的方向只具有纳米尺度, 可以看作是具有宏观尺寸的纳米材料, 表现出许多独特的性质. 但是制备非支撑(freestanding)的两维晶体材料一直被认为是一个不可逾越的难关. 早在20世纪30年代, Landau和Peierls等科学家就提出严格的二维晶体在热力学上是不稳定的, 因为在任何有限温度下两维晶体中的热涨落作用会破坏原子的长程有序性, 导致两维晶格的分解或聚集. 一直以来理论和实验界都认为严格的二维晶体无法在非绝对零度稳定存在, 这一假设直到2004年英国Manchester大学的Geim等人发现单层石墨烯(graphene)后才得以改变. 他们采用一种简单的“微机械力分裂法”(microfolitation)制备了一种单原子厚度的碳膜, 这种两维碳材料表现了很高的结晶度而且异乎寻常地稳定[1~3]. 这一发现立刻震撼了科学界, 随后这种新型碳材料成为材料学和物理学领域的一个研究热点[4~6].

石墨烯是由碳六元环组成的两维(2D)周期蜂窝状点阵结构, 它可以翘曲成零维(0D)的富勒烯(fullerene), 卷成一维(1D)的碳纳米管(carbon nano-tube, CNT)或者堆垛成三维(3D)的石墨(graphite), 因此石墨烯是构成其他石墨材料的基本单元[4](图1(a)). 石墨烯材料还兼有石墨和碳纳米管等材料的一些优良性质, 例如高热导性[7]和高机械强度[8], 以石墨烯制备的纳米复合材料也表现出许多优异的性能[9]. 可以预见石墨烯在材料领域中将有着广泛的应用. 石墨烯更为奇特之处是它具有独特的电子结构和电学性质. 石墨烯的价带(π电子)和导带(π*电子)相交于费米能级处(K和K′点), 是能隙为零的半导体, 在费米能级附近其载流子呈现线性的色散关系(图1(b)). 而且石墨烯中电子的运动速度达到光速的1/300, 其电子行为需要用相对论量子力学中的狄拉克方程来描述, 电子的有效质量为零[10]. 因此, 石墨烯成为凝聚态物理学中独一无二的描述无质量狄拉克费米子(massless Dirac fermions)的模型体系, 这种现象导致了许多新奇的电学性质. 例如, 在4 K以下的反常量子霍尔效应(anomalous quantum Hall effects)[10,11]、室温下的量子霍尔效应[12]、双极性电场效应(ambipolar electric field effects)[4]. 特别是电子的高迁移率使得石墨烯可以用于弹道输运晶体管(ballistic transistor),