石墨烯
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作者刘云圻 等 编著
出版社化学工业出版社
ISBN9787122301543
出版时间2017-11
装帧精装
开本16开
定价148元
货号1201586561
上书时间2024-09-09
商品详情
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作者简介
刘云圻，中国科学院院士，中科院化学所有机固体实验室研究员、博士生导师，科技部国家重点基础研究发展计划（973计划）重大科学前沿领域第四届专家咨询组副组长、中国化学会理事、有机固体专业委员会副主任，并担任Scientific Reports， Nanoscale， Flexible Printed Electronics等7种期刊的编委，顾问委员会成员。
目录
章石墨烯的基础知识001
1.1石墨烯的发现历史002
1.2石墨烯的基本结构与性能006
1.2.1石墨烯的基本结构006
1.2.2石墨烯的基本性能006
1.3石墨烯的基本表征手段015
1.3.1光学显微分析015
1.3.2电子显微分析018
1.3.3扫描探针显微分析022
1.3.4拉曼光谱分析026
参考文献027
第2章石墨烯的制备033
2.1剥离法034
2.1.1机械剥离法034
2.1.2化学剥离法037
2.2SiC表面外延生长法041
2.2.1在SiC的Si终止面外延生长石墨烯042
2.2.2在SiC的C终止面外延生长石墨烯043
2.3电弧放电法044
2.4氧化还原法045
2.4.1石墨氧化物的制备045
2.4.2石墨氧化物的还原049
2.5化学气相沉积法056
2.5.1金属表面化学气相沉积056
2.5.2绝缘基底表面化学气相沉积073
2.6其他方法076
2.6.1偏析生长石墨烯077
2.6.2自下而上合成石墨烯079
2.6.3切开碳纳米管制备石墨烯080
2.6.4TEM电子束石墨化081
2.7石墨烯的转移082
2.7.1将机械剥离的石墨烯转移至任意基底上083
2.7.2剥离SiC表面外延生长的石墨烯085
2.7.3将金属上以CVD法生长的石墨烯转移至任意基底上087
2.7.4任意基底上生长的石墨烯的通用转移法095
2.7.5小结096
参考文献097
第3章石墨烯化学105
3.1引言106
3.2石墨烯功能化107
3.2.1石墨烯平面的共价功能化108
3.2.2石墨烯边缘的共价功能化117
3.2.3非共价功能化石墨烯120
3.3石墨烯掺杂122
3.3.1表面转移掺杂123
3.3.2取代掺杂124
3.4石墨烯光化学129
3.4.1基于自由基的光化学反应130
3.4.2光还原反应132
3.5石墨烯催化化学134
3.5.1氧化石墨烯催化134
3.5.2还原氧化石墨烯催化136
3.5.3杂化石墨烯催化137
3.5.4功能化石墨烯催化138
3.6石墨烯超分子化学139
3.6.1液晶行为139
3.6.2自组装142
3.6.3三维自组装144
3.7总结与展望152
参考文献153
第4章石墨烯的电学性质167
4.1石墨烯的基本电学性质168
4.2对石墨烯电学性能的调控170
4.2.1通过物理的方法170
4.2.2通过化学的方法173
4.2.3通过构建异质结的方法183
4.3石墨烯在电学方面的应用185
4.3.1石墨烯场效应晶体管185
4.3.2石墨烯高频器件189
4.3.3石墨烯逻辑电路192
4.3.4石墨烯传感器195
4.3.5石墨烯存储器件198
4.3.6石墨烯电极202
4.3.7光电探测器204
4.3.8石墨烯量子点器件205
参考文献206
第5章石墨烯的光学性质及光电子应用211
5.1石墨烯的光学性质212
5.1.1石墨烯的线性光学性质212
5.1.2石墨烯的非线性光学性质213
5.2石墨烯在激光器中的应用215
5.2.1基于石墨烯的锁模光纤激光器应用217
5.2.2基于石墨烯的调Q光纤激光器应用220
5.2.3石墨烯在固体激光器上的应用221
5.3基于石墨烯的光调制器223
5.3.1基于直波导结构的石墨烯电光调制器223
5.3.2基于微环及马赫-曾德尔结构的石墨烯电光调制器226
5.3.3基于平面结构的石墨烯电光调制器229
5.4基于石墨烯的光偏振器232
5.5基于石墨烯的光探测器234
5.5.1基于石墨烯的超快、宽波段光探测器234
5.5.2等离子体增强的石墨烯光探测器235
5.5.3共振腔增强的石墨烯光探测器238
5.5.4波导型石墨烯光探测器239
5.5.5叠层范德华异质结型光探测器241
5.6石墨烯的表面等离子体242
5.6.1石墨烯表面等离子体的激发机制243
5.6.2石墨烯表面等离子体的观测方法245
5.6.3石墨烯表面等离子体的应用250
5.7总结与展望254
参考文献255
第6章石墨烯的磁学性质263
6.1引言264
6.2磁性基本知识266
6.2.1微观物质（原子）的磁性266
6.2.2宏观物质的磁性266
6.3缺陷对石墨烯磁性的影响268
6.3.1点缺陷268
6.3.2晶界和边界（线缺陷）273
6.3.3石墨烯纳米带的磁性277
6.4掺杂对石墨烯磁性的影响277
6.4.1非磁性元素掺杂277
6.4.2磁性元素掺杂280
6.5原子和分子／团簇吸附对石墨烯磁性的影响280
6.5.1原子吸附280
6.5.2分子吸附282
6.6石墨烯的超导电性284
6.7总结与展望287
参考文献287
第7章石墨烯基复合材料299
7.1引言300
7.2石墨烯基电学复合材料302
7.2.1石墨烯基储能复合材料302
7.2.2石墨烯基电催化复合材料306
7.3石墨烯基光学复合材料309
7.3.1石墨烯量子点复合材料在光学领域中的应用309
7.3.2石墨烯基光催化复合材料313
7.3.3石墨烯基透明导电薄膜复合材料316
7.4石墨烯基生物复合材料319
7.4.1石墨烯基生物复合支撑材料319
7.4.2石墨烯基生物功能材料321
7.4.3石墨烯基生物传感材料322
7.5石墨烯基力学与热学复合材料324
7.6石墨烯基复合材料在其他领域中的应用327
7.7总结与展望329
参考文献329
第8章石墨烯能源材料与器件339
8.1引言340
8.2超级电容器341
8.2.1超级电容器储能机理342
8.2.2石墨烯材料在超级电容器中的应用344
8.3二次电池349
8.3.1锂离子电池350
8.3.2石墨烯材料在锂离子电池中的应用351
8.3.3石墨烯材料在锂硫电池中的应用353
8.3.4石墨烯材料在钠离子电池中的应用354
8.3.5石墨烯材料在金属-空气电池中的应用355
8.4燃料电池356
8.5太阳能电池358
8.5.1石墨烯材料在染料敏化太阳能电池中的应用358
8.5.2石墨烯材料在量子点太阳能电池中的应用360
8.5.3石墨烯在有机光伏电池中的应用360
8.6储氢362
8.7总结与展望366
参考文献367
第9章石墨烯的工业应用前景与展望375
9.1引言376
9.2功能材料381
9.2.1结构增强复合材料381
9.2.2防腐涂层材料385
9.2.3新型导热材料387
9.2.4电磁防护材料391
9.2.5储氢材料393
9.3能源存储与转换395
9.3.1超级电容器396
9.3.2锂电池398
9.3.3太阳能电池400
9.3.4燃料电池403
9.4环境监测与治理405
9.4.1气体检测405
9.4.2污水处理409
9.4.3海水淡化411
9.4.4土壤治理413
9.5总结与展望414
参考文献414
索引426
内容摘要
本书依据作者研究团队以及靠前外石墨烯材料的近期新研究进展，从基础到应用较全面地概述了石墨烯的基本概念、基本理论和原理，详细叙述了石墨烯的制备方法、生长机理、凝聚态结构和石墨烯化学，重点阐述了石墨烯的电学性质、光学性质和磁学性质，很后较为系统地介绍了石墨烯在复合材料、能源材料和工业应用等方面的前景和存在的挑战。本书可供高等院校化学、材料、物理和信息等专业高年级本科生、研究生以及研究院所科研人员参考和阅读。
精彩内容
总序
纳米材料是国家战略前沿重要研究领域。《中华人民共和国国民经济和社会发展第十三个五年规划纲要》中明确要求：“推动战略前沿领域创新突破，加快突破新一代信息通信、新能源、新材料、航空航天、生物医药、智能制造等领域核心技术”。发展纳米材料对上述领域具有重要推动作用。从“十五”期间开始，我国纳米材料研究呈现出快速发展的势头，尤其是近年来，我国对纳米材料的研究一直保持高速发展，应用研究屡见报道，基础研究成果精彩纷呈，其中若干成果处于国际领先水平。例如，作为基础研究成果的重要标志之一，我国自2013年开始，在纳米科技研究领域发表的SCI论文数量超过美国，跃居世界。
在此背景下，我受化学工业出版社的邀请，组织纳米材料研究领域的有关专家编写了“纳米材料前沿”丛书。编写此丛书的目的是为了及时总结纳米材料领域的最新研究工作，反映国内外学术界尤其是我国从事纳米材料研究的科学家们近年来有关纳米材料的最新研究进展，展示和传播重要研究成果，促进学术交流，推动基础研究和应用基础研究，为引导广大科技工作者开展纳米材料的创新性工作，起到一定的借鉴和参考作用。
类似有关纳米材料研究的丛书其他出版社也有出版发行，本丛书与其他丛书的不同之处是，选题尽量集中系统，内容偏重近年来有影响、有特色的新颖研究成果，聚焦在纳米材料研究的前沿和热点，同时关注纳米新材料的产业战略需求。丛书共计十二分册，每一分册均较全面、系统地介绍了相关纳米材料的研究现状和学科前沿，纳米材料制备的方法学，材料形貌、结构和性质的调控技术，常用研究特定纳米材料的结构和性质的手段与典型研究结果，以及结构和性质的优化策略等，并介绍了相关纳米材料在信息、生物医药、环境、能源等领域的前期探索性应用研究。
丛书的编写，得到化学及材料研究领域的多位著名学者的大力支持和积极响应，陈小明、成会明、刘云圻、孙世刚、张洪杰、顾忠泽、王训、杨卫民、张立群、唐智勇、王春儒、王树等专家欣然应允分别担任分册组织人员，各位作者不懈努力、齐心协力，才使丛书得以问世。因此，丛书的出版是各分册作者辛勤劳动的结果，是大家智慧的结晶。另外，丛书的出版得益于化学工业出版社的支持，得益于国家出版基金对丛书出版的资助，在此一并致以谢意。
众所周知，纳米材料研究范围所涉甚广，精彩研究成果层出不穷。愿本丛书的出版，对纳米材料研究领域能够起到锦上添花的作用，并期待推进战略性新兴产业的发展。
万立骏
识于北京中关村
2017年7月18日
序
碳在元素周期表中排第六位，是第二周期第Ⅳ族主族元素。碳原子拥有六个核外电子，其电子构型为1s22s22p2，最外层有四个价电子。两个碳原子通过sp3、sp2和sp杂化，分别可以形成C—C单键、C=C双键和C≡C叁键。正是由于碳元素的电子结构和不同的碳碳键成键方式，造就了碳材料结构的奇特性和种类的多样性。无论是价值连城、坚硬无比的钻石，乌黑柔软的石墨，还是被称为固体石油的煤都由碳元素构成。不仅如此，数以千万计的有机化合物和具有无穷奥妙的生命体，它们的主体元素也是碳。近年来，随着纳米材料科学的飞速发展，碳家族不断添加新成员。1985年罗伯特·柯尔（Robert F.Curl）等人制备出了C60，其结构和建筑师富勒（Fuller）的代表作相似，所以称为富勒烯（Fullerene）。哈罗德·克罗托（Harold W.Kroto）、理查德·斯莫利（Richard E.Smalley）和罗伯特·柯尔亦因共同发现C60并确认和证实其结构而获得1996年诺贝尔化学奖。1991年日本电子公司的饭岛澄男（Sumio Iijima）博士发现了碳纳米管。2004年，英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·海姆（Andre K.Geim）和康斯坦丁·诺沃肖洛夫（Konstantin S.Novoselov），成功地从石墨中剥离出石墨烯，两人也因此共同获得2010年诺贝尔物理学奖。零维的富勒烯、一维的碳纳米管、二维的石墨烯及三维的石墨和金刚石构成了完整的碳系家族，尤其是二维的石墨烯已成为该家族中一颗耀眼的科学明星。
石墨烯是由一层碳原子构成的周期六方点阵蜂窝状二维晶体。其中每个碳原子与其他3个碳原子通过s键相连接，剩余的1个p电子轨道垂直于石墨烯平面，每个碳原子贡献1个未成键的p电子，与周围的原子形成p共轭的网络结构。与其他碳材料相比，石墨烯具有完美的大p共轭体系和最薄的单层原子厚度的结构，这使得石墨烯拥有非常优异和独特的光、电、磁、力等物理性能和化学性能，致使石墨烯材料在高性能复合材料、智能材料、电子器件、太阳能电池、能量储存装置和药物载体等领域具有极其广阔的应用前景。为此，各国的政府、高等院校、科研院所和企业进行了大量的人力、物力和财力的投资。英国是石墨烯的故乡，2013年英国政府投资6100万英镑在曼彻斯特大学创建国家石墨烯研究院，以使英国在石墨烯研究方面继续保持世界领先水平。2015年英国政府又投资6000万英镑同样在曼彻斯特大学成立石墨烯工程创新中心，旨在打造新的尖端石墨烯研究设施，实现“发现在英国”“制造也在英国”的国家目标。2015年欧洲提出石墨烯旗舰计划，预计10年累计投资10亿英镑，旨在把石墨烯及相关二维材料从实验室推广到社会应用中。美国“国家纳米技术计划”将石墨烯作为重要组成部分，2004～2013年间美国国家自然科学基金会资助了近500项石墨烯研究项目。我国对石墨烯的研究和应用开发高度重视，仅科学技术部（科技部）国家重点基础研究发展计划（973计划）就先后立项三项；2015年11月，工业和信息化部联合国家发展和改革委员会、科技部出台了《关于加快石墨烯产业创新发展的若干意见》，提出我国石墨烯材料未来5年的发展目标。目前，我国已成为石墨烯研究和应用开发最为活跃的国家之一。数据显示，我国发表的研究论文数、申请的数均为全球，其中数占全世界的1/3。
在这样的背景下，《石墨烯：从基础到应用》一书应运而生。当今，出版一本介绍石墨烯的基本知识，全面分析和总结已经取得的大量成果，正确把握未来的研究和发展方向，促进和开拓石墨烯独特性能的实际应用的高质量专著非常及时，也很有必要。本书的作者长期专注于石墨烯的研究工作，在石墨烯的制备，结构表征，化学反应，光、电、磁性能研究，以及石墨烯在复合材料、能源材料和工业应用等方面取得了一系列优秀的成果，受到国内外同行的关注和肯定。在此基础上，他们经过认真分析、归纳、思考，最终写成《石墨烯：从基础到应用》一书。相信本书出版后，无论是从事石墨烯研究与开发的科技工作者，还是对石墨烯感兴趣的大学生、研究生、企业家以及管理人员，都会从本书中获得知识、得到启发，进而提升我国石墨烯的原始创新能力，推进石墨烯产业化的发展，实现从跟踪、追赶到并跑、再到领跑的目标。
中国科学院院士
北京大学教授
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