石墨烯是一种由碳原子以sp²杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的二维碳纳米材料。
石墨烯内部碳原子的排列方式与石墨单原子层一样以sp2杂化轨道成键,并有如下的特点:碳原子有4个价电子,其中3个电子生成sp2键,即每个碳原子都贡献一个位于pz轨道上的未成键电子,近邻原子的pz轨道与平面成垂直方向可形成π键,新形成的π键呈半填满状态。
研究证实,石墨烯中碳原子的配位数为3,每两个相邻碳原子间的键长为1.42×10-10米,键与键之间的夹角为120°。
除了σ键与其他碳原子链接成六角环的蜂窝式层状结构外,每个碳原子的垂直于层平面的pz轨道可以形成贯穿全层的多原子的大π键(与苯环类似),因而具有优良的导电和光学性能。
扩展资料
当入射光的强度超过某一临界值时,石墨烯对其的吸收会达到饱和。这些特性可以使得石墨烯可以用来做被动锁模激光器。
这种独特的吸收可能成为饱和时输入光强超过一个阈值,这称为饱和影响,石墨烯可饱和容易下可见强有力的激励近红外地区,由于环球光学吸收和零带隙。由于这种特殊性质,石墨烯具有广泛应用在超快光子学。石墨烯/氧化石墨烯层的光学响应可以调谐电。
更密集的激光照明下,石墨烯拥有一个非线性相移的光学非线性克尔效应。
溶解性:在非极性溶剂中表现出良好的溶解性,具有超疏水性和超亲油性。
熔点:科学家在2015年的研究中表示约4125K,有其他研究表明熔点在5000K左右。
其他性质:可以吸附和脱附各种原子和分子。
石墨是由一层层蜂窝状有序排列的平面碳原子构成的晶体。当把石墨片通过物理或化学方法剥成单层之后,这种只有一个单原子层的石墨薄片称为单碳层石墨烯。不要看它薄,它的硬度甚至比钢铁要高几百倍!
因为薄,所以石墨烯具有良好的透光性,以肉眼来看,完全可以说它是透明的。同时,由于石墨烯具有良好的强度、柔韧度、导电导热性能,为新能源、大健康、电子信息、节能环保、生物医药、化工、航空航天等七大应用领域带来了巨大的改变。
我国对石墨烯领域的研究与开发也较早就给予了关注。根据国土资源部统计,我国石墨储量占全球的70%以上,石墨烯研发应用水平也与发达国家基本同步。与此同时,国家还资助了大量有关石墨烯的基础研究项目。可以说石墨烯是目前最具价值的材料之一。
记者从复旦大学获悉,该校与新加坡国立大学研究人员合作,通过在石墨烯表面引入极少量可电离含氧官能团,实现高质量石墨烯在水相中的高效率制备,有利于加速石墨烯大规模产业化应用。相关成果近日在线发表于《自然·通讯》杂志。
然而,如何实现高质量石墨烯的高效率、规模化制备,一直是制约其大规模应用的关键难题。理想解决方案是从天然鳞片石墨出发,将其在液相中剥离成石墨烯。
如何克服这些难题?研究人员采用一种非稳定分散的策略,通过在石墨烯表面引入极少量的可电离含氧官能团,实现在极高浓度(50mg/mL)下的快速、高产率剥离,剥离产物90%以上为单层石墨烯,且晶格缺陷少。剥离过程中,由于表面双电层被压缩,石墨烯以絮凝方式析出形成沉淀,后者即使浓缩至固含量很高的滤饼,室温储存一月后,仍可再次分散于水溶液中形成均匀稳定的石墨烯悬浮液,从而有效解决石墨烯规模化应用中的储存和运输问题。
此外,该方法制备的石墨烯水相浆料表现出良好的流变特性,可直接通过3D打印制备各种形状的石墨烯气凝胶,从而为石墨烯在储能、环境治理、多功能复合材料等领域的应用开辟了新途径。
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