石墨烯(英文名:Graphene)是碳由sp²杂化轨道组成六元环呈蜂窝状的二维碳纳米材料，是一种碳单质，拥有较高的比表面积，良好的导热性、导电性、化学稳定性以及半整数的量子霍尔效应。因其这些性质，石墨烯能够作为电极材料、电子器件、光学器件、传感器等。石墨烯可以通过机械剥离、化学气相淀积（CVD）、氧化还原、电化学等方法合成。英国科学安德烈·盖姆（Andre Geim）和康斯坦丁·诺沃肖罗夫（Konstantin Novoselov）在2004年首次成功剥离石墨得到单层石墨烯，并因此获得2010年诺贝尔物理学奖。
石墨烯边界可以连接一些新的基团生成其衍生物。如连接含氧基团（如-OH, C-O-C, C=O, -COOH）生成氧化石墨烯（GO）、连接卤族元素生成卤素石墨烯、连接含硫基团生成硫代石墨烯。当石墨烯材料的尺寸（一般应在100纳米以下）小到出现量子效应，便可称作石graphene墨烯量子点（GQD）。
发现历史
1948年，奥地利科学家鲁斯（Ruess）和瓦格（Vog）最早利用透射电子显微镜拍摄了少量石墨烯层（3-10层）的图像。
2002年，美籍华人张博增和黄文申请美国专利《Nano-scaled graphene plates》（中文名：纳米石墨烯板；专利号：7071258 B1），并在2006年获得批准。该专利主要描述了一种提取石墨矿烯的方法，即以一片或多片石墨为原料，通过平面状剥落技术和机械获得石墨烯，但只能得到厚度较大的多层石墨烯。
2004年，英国科学家安德烈·海姆（Andre Geim）、康斯坦丁·诺沃肖罗夫（Konstantin Novoselov）等人所发表的《Electric Field Effect in Atomically Thin Carbon Films》中提到，以高度定向热解的石墨为原料，经重复机械剥离能够制备厚度到几个原子层甚至单层的石墨烯。单层的石墨烯是准二维结构的碳材料，是继零维的富勒烯、一维的碳纳米管之后发现的新型碳单质。安德烈·海姆（Andre Geim）和康斯坦丁·诺沃肖罗夫（Konstantin Novoselov）因为在石墨烯方面的开创性工作获得2010年诺贝尔物理学奖。
2005年，麦克马斯特大学教授古赛宁（Gusynin）和沙拉波夫（Sharapov）发现石墨烯中的半整数量子霍尔效应，并证实石墨烯的准粒子是无质量的狄拉克费米子。
2018年，中国科学家曹原发现当两层平行石墨烯在-271 ℃（即1.7K）低温下组成1.1°的夹角时，就会发生超导现象，此时，石墨烯成为零电阻、抗磁性的超导体。
化学结构
石墨烯是一种二维结构的碳单质，即单层石墨分子。每个碳原子以sp²杂化形式连接形成六元环蜂窝状的二维结构。经研究证实，石墨中碳原子的配位数为3，可形成3个sp²-sp²的σ键，这使得其结构十分稳定。不仅如此，每个碳原子垂直于层平面的pz轨道能够形成类似苯六元环的多原子大π键。石墨烯中的C-C键长约为0.142 nm，键角为120°，石墨烯厚度仅为0.35 nm。石墨烯也可以进一步弯曲成零维的富勒烯和一维的碳纳米管，或堆积成三维的石墨。
石墨烯可以通过透射电子显微镜（TEM）、扫描电子显微镜（SEM）、光学显微镜、原子力显微分析、拉曼光谱等技术表征。
理化性质
物理性质
石墨烯是目前已知强度最高的材料之一，耐受力十分强。其不仅硬度较大，而且具有良好的弹性，杨氏模量高达1100 GPa，二阶弹性刚度和三阶弹性刚度分别为340 N/m和−690 N/m，断裂强度为42 N/m，这些实验数据证明石墨烯具有良好的强度。但是经修饰后的石墨烯力学性能会发生变化，如氧化后的石墨烯弹性模量和极限拉伸强度显著降低。
由于石墨烯中π键上的电子，自由活动能力很强，使其载流子迁移效率为15000 cm²/(V.s)，即光速的1/300，因此石墨烯的电阻率小，导电性能十分优越。理想的单层石墨烯是零隙带的半导体。不仅如此，曹原等人发现当两层平行的石墨烯扭曲1.1°时会发生超导现象，电阻直接降为零。经研究，石墨烯的准粒子是无质量的狄拉克费米子，并且具有半整数的量子霍尔效应（QHE），其温度范围比其他二维材料宽10倍，所以在室温下即可观察到石墨烯中QHE，而不是需要低温的极端条件。在一定条件下，石墨烯还可以观察到Klein隧穿，Klein隧穿是指相对论物体可以通过所有势垒，即使是高势垒。
石墨烯是一种理想的自旋电子学材料。由于石墨烯的自旋-轨道耦合作用和超精细相互作用十分微弱，且碳元素几乎没有磁核矩，导致石墨烯的自旋寿命较长，其电子自旋可作为良好的量子比特。在室温下，石墨烯的自旋输运能够达到几个微米。
石墨烯在常温常压下是接近透明的固体，具有透光性，而且石墨烯在红外区间具有非常突出的非线性光学特性，其非线性折射率为10⁻⁷ cm²/ W，远远高于一般块状的电解质。根据石墨烯的此特性将其用于光通信、光传感中的光电子器件领域。
化学性质
石墨烯呈蜂窝网状结构，相邻碳原子以σ键相连，垂直于平面方向具有π键，其基本结构单元是苯环，这样的结构特征使其骨架稳定不易被破坏，在常温下就表现出良好的稳定性。因此，石墨烯的反应活性更多地集中在边界基团和平面缺陷。
石墨烯可以在高温下被氧化或与氧化性酸（如硝酸）反应，生成CO、CO₂。不仅如此，石墨烯可以在边界上连接含氧基团（如-OH，C-O-C，C=O，-COOH），变成氧化石墨烯（GO）。含氧基团含量越大，氧化程度越大。氧化后的石墨烯亲水性增强，在水中具有良好的分散性，对湿度的灵敏性也增加。
石墨烯具有氧化性，可以与活泼金属（如金属钾）反应，打开部分双键形成碳化物。
因石墨烯结构中含碳碳双键，可以发生加成反应。
石墨烯可以生成多种衍生物，如石墨烷、石墨炔、氟石墨、石墨醇等，经修饰后的石墨烯物理和化学性质均会发生影响。
①天然石墨
氢化后的石墨烯即石墨烷，在高氢化石墨烯中观察到了磁有序结构，而完全氢化后的石墨烯是一种宽带隙半导体。
②卤族元素石墨烯
卤素石墨烯是在石墨烯的边界连接卤素原子，其中石墨烯表现出特别的性能。当石墨烯连接氟时，高电负性导致带隙开放，电带隙超过约3.8eV，可以作为层状材料异质结构中的绝缘体。而且氟石墨烯还具有良好的热稳定性、大的负磁阻、高光学透明度等特性。
③氧化石墨烯（GO）
氧化石墨烯（GO）包括羧基石墨烯、石墨醇等。当石墨烯边界连接含氧基团（如-OH，C-O-C，C=O，-COOH）时，由于这类基团基本都是亲水性官能团，显著提高了石墨烯在水环境中的分散性和稳定性，它们的存在还提高了石墨烯的力学性能，保留导电性等其他性能。
制备方法
物理制备法
固相机械剥离法
固相机械剥离法是利用机械力重复切一块石墨，直到得到石墨烯薄层的方法。施加的机械力可以克服石墨烯结构相邻层之间的范德华引力，打破分子间作用力势垒，分离两层石墨烯。2004年，安德烈·盖姆和康斯坦丁·诺沃肖罗夫利用透明胶带对高度定向热解的石墨进行机械剥离得到首个单层石墨烯。这种方法可以得到高质量的石墨烯层，但是费时费力、不可控因素较多、难以大规模制备，也很难制得大面积石墨烯。
中国科学家赵伟峰等人发明了一种球磨剥离石墨制备石墨烯的方法，该方法需要在球磨过程中添加合适的溶剂。这种方法可以以低成本从厚石墨薄片中批量生产晶体结构完整的石墨烯薄片，而且能够用于大规模生产。
液相溶剂剥离法
液相溶剂剥离法是将石墨矿片或石墨衍生物分散于溶剂（如N,N-二甲基甲胺、邻二氯苯、N-甲基吡咯烷酮）中，再用超声、加热等方法得到石墨烯的方法。这种方法可以保持石墨烯结构和导电性能不被破坏，但是经常会有石墨烯团聚的现象。超声法虽然非常简单，适合在实验室制备石墨烯薄片，但超声法制备的石墨烯的浓度非常低，不利于实际使用。而且需要注意超声时间，过度的超声处理会破坏石墨烯的结构。
化学制备法
氧化还原法
氧化还原法是将天然石墨通过热处理或在边界连接含氧基团进行氧化，再经过外力剥离得到单层氧化石墨烯，最后将氧化石墨烯还原得到石墨烯的方法。氧化后的石墨烯表面和边缘存在大量的羟基（-OH）、羧基（-COOH）、羰基（C=O）、环氧（C-O-C）等基团，此时石墨的亲水性能增加，石墨层间距离从0.34 nm扩大到约0.78 nm，有利于后续剥离。因为氧化石墨烯在水中的分散性和稳定性能较好，所以外力剥离时可以选择超声震荡的方法，这样可以得到分布均匀的氧化石墨烯。最后再用强还原剂还原氧化石墨烯，除去含氧基团。常用的还原方法有：热还原法、电化学还原法、微波还原法、等离子体还原法等。这种方法成本低、产量高，可以高效地制备出大面积独立的单层石墨烯，适用于大规模生产。生产出的石墨烯可以应用于光电池和电化学装置等领域。
化学气相沉积法（CVD）是目前工业上应用最广泛的一种制备石墨烯薄膜材料的方法之一。它是利用高温可分解的含碳化合物作为碳源，通过高温退火使石墨烯在基体表面生长，最后从基体表面移除获得石墨烯薄片。一般碳源可选择甲烷、甲醇、乙烷、乙烯、乙醇、乙炔、聚合物等，基体多为金属Ni、Pt、Ru。但经研究，碳源还可以为饼干、巧克力、草、塑料、蜚蠊目等物质，而且选择这些物质合成石墨烯更加的低成本、无毒以及绿色。石墨烯转移可以利用湿转移法和干转移法，湿转移法即腐蚀基体法，可将石墨烯从硅片表面转移到其他基体（如聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA））上，再利用丙酮清洗掉PMMA，实现石墨烯的转移。CVD中碳源、基体、温度、压力的选择都会影响石墨烯的生长速度和形态面积。这种方法简单易行可控、可以制备出质量高面积大的石墨烯，但成本较高。
电化学法
电化学法是在水溶液或有机电解质中的石墨工作电极上应用阴极或阳极电势的方法。使用阳极电位有助于将负的阴离子插入到石墨矿层中，导致石墨逐渐膨胀，然后连续脱落形成石墨烯薄片。但这会在生产的石墨烯中引入大量的氧基团，并对其电学性能产生影响。若使用阴极电位，会驱动阳离子插入到石墨层，然后膨胀和剥离。这种方法与阳极电位法相比，所花费的时间较长，但会产生更高质量的石墨烯薄片。在水相电解质中，水相中的自由基（·OH和·O）会促进阴离子的插入，使用阳极电位对石墨电极进行电化学剥离更有效，但是会得到更多缺陷和氧基团的石墨烯。电化学制得的石墨烯性能与电解质种类、浓度等均有关系，制备过程中可以通过改变模板从而改变石墨烯形状。
外延生长法
外延生长法是指在高温下加热碳化硅(SiC)单晶体，脱除SiC表面的Si原子留下C原子重构，继而获得与原SiC差不多面积的石墨烯薄层。这种方法能够制备出1-2个碳原子层厚的石墨烯，但是该方法不能获得大面积厚度均一的石墨烯层。所制得的石墨烯表现出较高的载流子迁移率等特性，但无法观测到量子霍尔效应。该方法可用作石墨烯衬底的物质有SiC，sio₂，GaAs，Cu，Ni，Co，Ru，Au，Ag等。
应用领域
生物医学应用
石墨烯具有生物相容性，特别有利于神经元的附着和生长。当神经元附着在石墨烯涂层的表面，不仅能够维持正常形态和代谢，还能形成神经炎突起。石墨烯的生物医学应用是21世纪初才开始研究的。石墨烯因其独特的生物活性性能，具有抗菌、抗血小板和抗癌活性。
①癌症治疗
聚乙二醇功能化的纳米氧化石墨烯（NGO-PEG）可以在生物溶剂中有较高溶解性和稳定性，可以用于消除肿瘤细胞和体外药物承载与成像。相比于碳纳米管，聚乙二醇功能化的纳米氧化石墨烯（NGO-PEG）不仅对肿瘤靶向识别效率高，而且该材料在皮组织中残留较少。经研究，在静脉注射纳米石墨烯(NGS)并在肿瘤移植部位用低强度近红外（NIR）激光照射后，通过低温效应非常有效地消除肿瘤，且血液分析等结果表明没有明显副作用。
功能化的氧化石墨烯也可以用于治疗癌细胞。如将光敏剂分子Ce6装载到聚乙二醇（PEG）功能化的氧化石墨烯（GO）上可得配位化合物GO-PEG-Ce6，该复合物不仅具有良好的水溶性，而且可以显著破坏癌细胞光动力。
②药物传递
药物传递系统目的是定位治疗药物的传递，氧化石墨烯可以在多层薄膜中创建屏障层，捕获感兴趣的分子进行控制释放，因此可以作为药物传递的载体。如氧化石墨烯与活性靶向配体TRC105的功能化提高了血管生成的治疗效果。聚乙二醇功能化的纳米氧化石墨烯（NGO-PEG）可以将水不溶性芳香族抗癌药物注入细胞，如可以将抗癌药物阿霉素（DOX）靶向运输至肿瘤细胞。
③生物成像
近年来，石墨烯基纳米复合材料能够制作新一代生物传感器、细胞和生物成像的生物传感器、纳米载体和探针的新生物材料，可以用于多模态生物成像和成像引导的癌症治疗。石墨烯是生物分子成像的优秀底物，可以引入用于脱氧核糖核酸测序的纳米孔或作为神经刺激电极的组成部分。石墨烯和石墨烯衍生物能够检测各种生物分子，如多巴胺、氨基酸、凝血酶等。经研究发现，聚乙二醇（PEG）连接荧光染料再与纳米氧化石墨烯（NGO）结合的化合物可以在细胞内成像。PEG分子可以防止由NGO导致的染料荧光淬灭，有效提高了NGO的化学稳定性和生物相容性，以及增强了细胞对该配位化合物的吸收。
在电极中的应用
石墨烯具有良好的导电性，室温下载流子迁移效率高达15000 cm²/(V.s)，电阻小，因此石墨烯可作为电极材料。再加上它良好的柔展性、化学稳定性和高比表面积、机械强度，可以作为超级电容器、传感器等电子器件的电极。如将石墨烯涂在玻璃或聚合物支架上以制造透明导电电极，逐层堆叠石墨烯可以提高薄片的电导率，然而多层石墨烯透明度下降，使用的石墨烯厚度通常不能超过四层。
石墨烯修饰后的电极电化学特性发生改变。如聚乙烯吡咯烷酮（PVP）功能化的石墨烯修饰电极，修饰后的石墨烯具有亲水性，可以分散在水相中，而且从电化学结果可知，它对O₂和H₂O₂的还原有很好的电催化作用。因其生物相容性，也可以做生物电化学传感器。如将葡萄糖氧化酶（GOD）固定在石墨烯表面，构建了葡萄糖电化学传感器，不仅表现了良好的电子转移特性，而且保持了生物电催化活性，响应线性范围在2-14 mmol·L-1之间。
在电池材料中的应用
碳材料如无定形碳、多孔碳、石墨烯等已经广泛地应用于燃烧电池中，这些材料具有较大的比表面积和良好的催化活性，可以提高电池的比容量和改善电子的转移，并进一步帮助加速反应物（即燃料）电催化活性表面。例如用石墨烯设计的质子交换膜燃料电池（PEMFCs）可以产生高功率密度，提高38%的电流密度、257%的提高离子电导率。石墨烯应用锂离子二次电池，如合成的石墨烯-SnO₂，可作锂离子二次电池的负极材料，提高了比容量和循环稳定性。
石墨烯可以在太阳能电池中作为电极材料，并且发挥各种使能（控制信号的输入和输出）作用，从而导致PCE的整体改进。石墨烯可以作为太阳能电池接触点中的超薄、透明的扩散势垒，作为串联太阳能电池的中间层，作为电子受体等。部分功能化的石墨烯会增加石墨烯载流子密度（减少电池串联电阻），增加电池的内置电势，提高太阳能电池性能。如利用四氰基苯醌二甲烷修饰石墨烯，制得的配位化合物做太阳电池中的透明电极，在光照为AM1.5时，能量转化率约为2.58%。
在超级电容器中的应用
石墨烯因为具有超高比表面积、良好的导电性能和化学稳定性等特性可作为黄金电容储能。超级电容器可分为双层电容器、赝电容器和非对称电容器，石墨烯主要应用于双层电容器。但是石墨烯自身存在着缺陷以及石墨烯片与片之间的分子间作用力较强容易造成团聚，所以一般利用反应性基团和过渡金属氧化物粒子对石墨烯表面改性，提高石墨烯的分散性和电化学性能。如利用二硫化钼（MoS₂）粒子对石墨烯改性后的配位化合物形成了球状结构，导电网络相互联系，不仅有效地促进了电荷运输和电解质扩散过程,而且有效防止了体积膨胀收缩以及吸电放附过程中石墨烯易团聚的弊端。该复合物也表现出了良好的循环稳定性，1000次循环后比电容只减少了7.7%。
在光学器件中的应用
石墨烯在常温常压下是接近透明的固体，具有透光性。它在红外区间具有非常突出的非线性光学特性，其非线性折射率为10⁻⁷ cm²/ W。石墨烯具有高灵敏、良好的非线性光学特性以及抗电磁干扰能力，能够作为光纤传感器、光开关等光学器件。石墨烯还在在图像处理、光学存储及人员和器件保护等诸多光学领域有重要的应用。
储氢材料
氢气作为一种新型清洁能源，是解决未来能源紧缺问题的政策之一。但其在常温常压下难以运输，所以需要借助储氢材料这个载体储存。碳基材料如活性碳、富勒烯、碳纳米管、石墨烯都可以作为储氢材料，但石墨烯基材料物理吸附氢气的结合能增加，因此比其他碳材料具有优势。石墨烯的功能化可以调整材料的化学反应性、表面积、孔隙率和层间间距等特性，从而提高吸附能力，降低吸附能垒。原始石墨烯的储氢能力较差，但加入过渡金属、主基金属、金属纳米团簇、含氮化合物等掺杂材料的石墨烯后，氢和石墨烯之间的分子间结合能在0.2-0.8 eV区域（物理吸附和化学吸附之间）调整，使其能够有效储存氢。
研究进展
2024年1月7日，天津大学天津纳米颗粒与纳米系统国际研究中心的马雷教授研究团队研究成果《碳化硅上生长的超高迁移率半导体外延石墨烯》，成功攻克长期以来阻碍石墨烯电子学发展的关键技术难题，打开了石墨烯带隙。研究团队通过对外延石墨烯生长过程的精确调控，成功地在石墨烯中引入了带隙，创造了一种新型稳定的半导体石墨烯。该项成果已在《自然》杂志网站上在线发布。
2025年2月，中国科学家开发了一种名为“石蜡辅助浸入法”的新技术，制备出具有可控手性的石墨烯卷，为未来量子计算和自旋电子器件的发展奠定了坚实基础。由天津大学教授胡文平、雷圣宾、李奇峰和副教授沈永涛带领团队取得的这一研究成果发表在国际权威期刊《自然·材料》上。实验结果表明，制备出的左旋和右旋石墨烯卷表现出显著的光学活性和优异的自旋选择性效应。通过精确控制手性角度，研究人员还实现了手性诱导的自旋选择性调控，这一特性使石墨烯卷在自旋电子学领域具有独特的应用潜力。此外，研究团队还发现，电子主要沿着石墨烯卷的一侧移动，从而产生优先自旋极化。这种手性诱导的自旋选择性效应为开发高效的自旋滤波器和自旋电子器件提供了新的可能性。
参考资料
Uspto：Nano-scaled graphene plates[DB/OL]..United States Patent/patft.uspto.gov.2022-09-01
天津大学纳米中心半导体石墨烯研究取得新突破.人民网.2024-01-08
我国科学家制备出可控手性石墨烯卷.百家号.2025-02-26