杨全红丨石墨烯：化学剥离与组装

映秋别韵

月映秋高世外庐，

仙临妙笔绘窗图。

谁识至简烯环美？

半卷诗书万代读。

注：杨全红教授在云南大学，看到由林徽因和梁思成二位先生主持设计的“映秋院”窗棂上雕刻着的齐整精美的“烯环”时即兴所作。这些雕花完美体现了石墨烯“从碳中来，到碳中去”的结构特征。

碳材料是一种古老而年轻的材料，与人类生活息息相关。小到日常生活中的铅笔芯，大到上天入地的结构材料，碳材料在电子、航空、航天、催化、传感、储能及环境保护等领域均扮演着重要的角色。低维的碳纳米材料，将碳材料的发展和应用推向了新的高度。纵观碳纳米材料的发展历史，其波澜壮阔与跌宕起伏和材料本身一样令人着迷。富勒烯的无心插柳诠释了科学的“意外之美”，碳纳米管的无冕之王体现着科学的“失落之美”，而石墨烯的厚积薄发则完美展示了科学的“追寻之美”。自从确认了石墨的层状结构，科学家们便一直尝试获得稳定的单层石墨片，进行着“追梦之旅”。直至2004年，梦想照进现实——Andre Geim和Konstantin Novoselov教授运用机械剥离法成功制备石墨烯，短短六年后，师生联袂获得了2010年度诺贝尔物理学奖。

图1　石墨烯的低温负压解理示意图

石墨烯是结构最为简单的碳材料，正是这种“简单”衍生出很多迷人的物性；它也可看作是所有 sp² 碳材料的基本结构单元，以其为研究载体，可以深入理解碳材料。石墨烯可以翘曲形成零维的富勒烯，卷曲形成一维的碳纳米管，堆垛形成三维的体相石墨；而应用广泛的碳纤维和活性炭，也可以看作大小不一的石墨烯片层杂乱堆叠形成的二次结构。氧化石墨，是石墨烯制备的重要前驱体。通过低温负压化学解理，远低于常规剥离温度（1100 ℃），甚至突破氧化石墨热剥离的理论阈值（550 ℃），在低至200 ℃的温度下，实现了功能化石墨烯的低温宏量制备，为石墨烯的规模化应用奠定了基础（图1）。而巧用氧化石墨烯的双亲特性，利用其在液/气、液/液、液/固界面组装，不仅可以像煮奶皮一样气液界面成膜，也可以像点卤制豆腐一样固液界面成胶，还可以像鸡尾酒效应一样液液界面发生组装，构建新型的石墨烯基微纳碳结构，从而获得传统制备方法无法获得的新型碳材料（图2）。因此，充分发挥石墨烯“从碳中来，到碳中去”的基石角色，是石墨烯和碳材料领域的重要研究方向，对推动石墨烯在先进电池、光电催化、航空航天及环境保护等领域的产业化应用具有重要的现实意义。

图2　石墨烯的界面组装示意图

天津大学杨全红教授团队（NanoYang课题组）在国家重大科学研究计划和国家自然科学基金的持续支持下，深耕石墨烯基碳材料的制备与应用，聚焦石墨烯组装机制研究，坚持“做有用的研究，讲有趣的故事”。《石墨烯：化学剥离与组装》一书围绕石墨烯的化学剥离与组装方法学展开讨论，并展望了石墨烯未来发展脉络。对化学剥离法制备石墨烯的化学机制、研究进展、宏量制备和应用前景以及存在的问题和挑战作了系统的阐述和分析；同时梳理了石墨烯的组装方法，对组装机制、基于石墨烯的新型碳基材料制备和应用进行了总结和评述（图3）。石墨烯作为一种新型功能材料正走进千家万户，随着杀手锏应用的逐渐涌现，其大规模应用必将“梦想照进现实”！谨以此书献给从事石墨烯剥离与组装方法学研究的同行、志在石墨烯研究的青年学子，期待此书对从事石墨烯应用研究和产业化推进的企业界人士有参考价值。

图3　石墨烯：化学剥离与组装（从碳中来，到碳中去）

诚挚感谢成会明院士和“低维材料与器件丛书”编委会对本书撰写过程的指导和建议。特别感谢科学出版社领导和翁靖一编辑在本书出版过程中给予的大力帮助。

写给氧化石墨烯

妳是

畅游水中的精灵

神出鬼没、行由心往

……

那一日

妳们手牵着手、肩并着肩

胶束着碳的传奇

或超轻 或致密

或纸团 或纤维

或薄膜 或凝胶

Go to GO

为着年轻的梦想而Go

为着古老的神奇而GO

注：这首小诗是杨全红教授为2017年“Go to GO国际氧化石墨烯论坛”上即兴所作，该论坛由澳大利亚墨尔本大学李丹教授、美国西北大学黄嘉兴教授和天津大学杨全红教授共同发起，目前已在天津大学、浙江大学、中国科学技术大学和东南大学召开四届。

作者简介

中国科学院白春礼院长题词

目录快览

《石墨烯：化学剥离与组装》

（低维材料与器件丛书/成会明 总主编）

杨全红，张辰，孔德斌 著

责任编辑：翁靖一，孙静惠

北京：科学出版社，2020.4

ISBN：978-7-03-064309-4

本书为“低维材料与器件丛书”之一。石墨烯是最简单的碳功能材料，又是sp²碳材料的基本结构单元。理解石墨烯“从碳中来，到碳中去”的结构特征，对石墨烯的基础研究和应用拓展都具有重要意义。本书围绕石墨烯的化学剥离与组装方法学展开讨论，并展望了石墨烯未来发展脉络。对化学剥离法制备石墨烯的化学机制、研究进展、宏量制备和应用前景以及存在的问题和挑战做了系统的阐述和分析；同时梳理了石墨烯的组装方法，对组装机制、基于石墨烯的新型碳基材料制备和应用进行了总结和评述。