功能化石墨烯材料及应用

石墨烯作为一种新型二维纳米材料，其特殊的单原子层结构赋予其诸多新奇的物理性质，如优异的力学性能、良好的导电和导热性能、气体阻隔性能等，因而在社会生产与生活多个领域均表现出广阔的应用前景。自2004年石墨烯被成功剥离以来，功能化石墨烯材料及相关研究领域得到了研究人员的广泛关注，并积累了许多有价值的研究成果，但截至目前该领域缺乏较为系统的归纳和总结。近年来石墨烯行业迅猛发展，目前已有多家公司实现石墨烯的大批量生产，并在透明导电薄膜和导电添加剂等领域取得了较为显著的进展。然而，受石墨烯本征特性的影响，石墨烯片层在绝大多数溶剂里难以分散，其功能也相对单一。这也成为制约其实现大规模产业化应用的重要瓶颈。从实际应用角度看，将石墨烯功能化或与其他物质进行复合，制备具有电学、光学及力学等特定结构与功能的功能化石墨烯材料是满足不同应用要求所必需的，也是充分挖掘其性能潜力以及拓展其应用范围的前提。发展功能化石墨烯，实现其与其他功能组分的有机复合，对推动石墨烯材料的实用化具有重要意义，是目前和未来石墨烯领域的重要研究方向。本书主要根据作者所在课题组近些年来在功能化石墨烯材料领域的研究成果，并结合新的科研进展，旨在对功能化石墨烯材料研究领域进行较为系统的分析和归纳整理，以期对功能化石墨烯材料领域的研究进展进行较为系统的梳理。本书从功能化石墨烯材料的发展历程出发，围绕“石墨烯功能化”这一主题，阐述了功能化石墨烯材料的定义、分类和制备方法，重点对功能化石墨烯材料的“自上而下”“自下而上”和可控官能团修饰等几种不同构建方式的研究成果进行了总结。在此基础上系统阐述了功能化石墨烯材料在光能转化、储能、生物医学、环境和催化等领域的应用，并对功能化石墨烯材料领域未来发展趋势及应用前景进行了展望。全书共分九章，第１章为绪论，概述功能化石墨烯材料的构建策略和发展现状。第２章介绍功能化石墨烯材料的定义和分类，重点围绕什么是功能化石墨烯材料，功能化石墨烯材料包括哪几种等基本问题进行界定和讨论，并对功能化石墨烯材料的结构特点和功能特性做了系统分析。第３～５章分别从“自下而上”“自上而下”和可控官能团修饰三种不同的构建策略论述功能化石墨烯材料的可控制备和构建，包括由芳香性有机单体制备的具有丰富石墨烯片段的功能化石墨烯、化学剥离薄层石墨得到的具有丰富表面官能团的功能化石墨烯、以石墨烯为基本单元通过可控共价衍生化制备的功能化石墨烯等。第６～８章围绕功能化石墨烯材料的应用，分别详述基于以上三种策略构建的功能化石墨烯材料，系统阐述其在光能转化、储能、生物医学、环境和催化等领域的应用，重点揭示功能化石墨烯材料设计原则。第９章对功能化石墨烯材料的发展趋势和面临的挑战做了较为系统的评述。本书系统整理了近些年来功能化石墨烯材料领域的重要研究成果，深入分析了该领域的研究现状，旨在引导石墨烯功能化的研究向科学化和系统化发展。书中所传达的学术思想创新性强、观点新颖、内容完整且结构严谨，目前国内外还没有类似主题的书籍出版。本书尽可能使用较为通俗易懂的语言进行阐述，以达到专业性与易读性并存的效果。本书不仅可以作为纳米科学与技术等专业科学研究人员和工程技术人员的参考书，也适用于对石墨烯感兴趣的非专业读者。本书内容主要基于智林杰教授团队在功能化石墨烯材料上的研究成果，由智林杰教授团队负责书稿的撰写、统筹和修改工作。编写本书的目的是引起读者对功能化石墨烯材料的关注，有助于读者深化理解“功能化石墨烯材料”这一理念在石墨烯相关材料研究中的重要作用，指引功能化石墨烯材料的研究向科学化和系统化的方向发展，为加速功能化石墨烯材料的实用提供理论和技术支持。本书主要由智林杰教授负责整体思路的设计和内容的部署，马英杰负责书稿的统筹和修改工作。具体分工如下：第１章由智林杰、马英杰和孔德斌编写，第２章由智林杰、马英杰和周善柯编写，第３章由智林杰、马英杰、肖志昌和孔德斌编写，第４章由智林杰、马英杰和邱雄鹰编写，第５章由智林杰、马英杰和高扬编写，第６～９章由智林杰和马英杰编写。本书特别感谢智林杰课题组团队李祥龙老师、杨琪、牛越、黄小雄、张兴豪以及其他各位老师和同学的科研贡献和在本书撰写、修改过程中给予的大力支持和帮助。衷心感谢国家自然科学基金项目和国家重大科学研究计划项目等对相关研究的长期资助和支持。谨以此书献给从事功能化石墨烯材料领域研究的同行，有志于从事功能化石墨烯材料研究的青年学子，以及从事基于石墨烯材料的制备技术及应用的企业界人士。由于功能化石墨烯材料领域仍在快速发展，新知识、新理论仍在不断涌现，加之著者经验不足，书中存在不妥之处在所难免，希望读者提出宝贵意见，以便及时补充和修改。智林杰2020年10月

发展功能化石墨烯材料，研究其结构及物理化学性质，探索其在不同领域的应用，对推动石墨烯材料的实用化具有重要意义，是目前和未来石墨烯领域的重要研究方向。本书旨在对功能化石墨烯相关研究领域进行较为系统的分析和归纳整理，以期对石墨烯功能化领域的研究进展进行较为系统的梳理。

智林杰，中国石油大学（华东）高端化工与能源材料研究中心主任。长期从事碳基纳米材料及其在能源与环境领域应用研究。承担国家“863”计划项目、科技部纳米重大专项课题、科技部国际合作计划重点项目等20余项。在Angew、JACS、AM等材料和能源领域国际期刊发表论文230余篇，论文他引25000余次，H因子72，连续五年入选汤森路透材料领域高被引科学家。授权国家发明专利30余件，其中“石墨烯粉体制备与应用”等三个专利包已经完成了技术转让和项目落地。获北京市自然科学三等奖、上海市自然科学一等奖。兼任中国颗粒学会理事、中国复合材料学会理事等。

1章 绪论１．１ 石墨烯概述 １．２ 功能化石墨烯材料 １．２．１ 石墨烯功能化的必要性１．２．２ 功能化石墨烯 １．２．３ 功能化石墨烯复合材料 １．３ 小结第2章 功能化石墨烯材料的定义和分类2.1 功能化石墨烯材料的定义2.2 功能化石墨烯材料的分类2.2.1 功能化石墨烯2.2.2 功能化石墨烯复合材料2.3 功能化石墨烯材料的制备策略2.3.1 “自下而上”策略2.3.2 “自上而下”策略2.4 小结第3章 “自下而上”策略功能化石墨烯３．１ 多环芳烃分子构筑功能化石墨烯３．１．１ 多环芳烃构筑功能化石墨烯的策略 ３．１．２ 多环芳烃构筑功能化石墨烯的方法３．１．３ 多环芳烃构筑功能化石墨烯的控制策略３．２ 化学气相沉积法制备功能化石墨烯 ３．２．１ CVD法概述３．２．２ CVD法用于石墨烯宏观形貌控制 ３．３ 其他材料构筑功能化石墨烯 ３．３．１ 共价有机框架衍生的石墨烯 ３．３．２ 金属有机框架衍生的功能化石墨烯 ３．３．３ 生物质衍生的功能化石墨烯 ３．３．４ 有机分子碳化衍生的功能化石墨烯 ３．４ 小结 第4章 “自上而下”策略功能化石墨烯４．１ 概述 ４．２ 石墨类功能化石墨烯４．２．１ 石墨简介 ４．２．２ 石墨类功能化石墨烯 ４．３ 石墨类非共价功能化石墨烯复合材料４．４ 非石墨类功能化石墨烯４．４．１ 碳纳米管作为碳源 ４．４．２ 富勒烯作为碳源 ４．４．３ 其他碳源 ４．５ 小结第5章 可控官能团修饰的功能化石墨烯材料５．１ 概述５．２ 石墨烯和氧化石墨烯的共价功能化５．２．１ 石墨烯的共价功能化５．２．２ 氧化石墨烯的共价功能化５．３ 石墨烯和氧化石墨烯的非共价功能化５．３．１ π-π键功能化 ５．３．２ 氢键功能化 ５．３．３ 静电作用功能化 ５．３．４ 疏水作用功能化５．４ 小结第6章 “自下而上”策略功能化石墨烯的应用６．１ 超分子领域６．２ 半导体器件 ６．３ 透明导电薄膜 ６．４ 光能转化６．５ 小结第7章 “自上而下”策略功能化石墨烯的应用７．１ 氧化石墨烯材料７．１．１ 透明导电薄膜７．１．２ 太阳能电池材料７．２ 还原氧化石墨烯 ７．３ 石墨烯纳米带７．４ 小结 第8章 功能化石墨烯材料的应用８．１ 光能转化中的应用 ８．１．１ 有机太阳能电池８．１．２ 染料敏化太阳能电池８．１．３ 钙钛矿太阳能电池８．１．４ 光催化８．１．５ 小结 ８．２ 储能８．２．１ 超级电容器８．２．２ 锂离子电池 ８．２．３ 其他二次电池８．２．４ 小结 ８．３ 生物医学８．３．１ 药物传输 ８．３．２ 生物传感器 ８．３．３ 生物造影和光照疗法８．３．４ 小结８．４ 环境８．４．１ 染料的去除 ８．４．２ 重金属离子的去除 ８．４．３ 药物分子的去除８．４．４ 油性物质的去除８．４．５ 有毒有害气体的吸附８．４．６ 小结 ８．５ 催化８．５．１ 石墨烯作为催化活性材料８．５．２ 石墨烯作为催化剂载体８．５．３ 小结８．６ 电磁干扰屏蔽８．６．１ 石墨烯用作电磁干扰屏蔽材料８．６．２ 小结 ８．７ 海水淡化 ８．７．１ 氧化石墨烯用作海水淡化材料８．７．２ 小结第9章 总结与展望参考文献索引

石墨烯是碳的同素异形体大家族的又一个传奇，也是当今横跨学术界和产业界的超级明星，几乎到了家喻户晓、妇孺皆知的程度。当然，石墨烯是当之无愧的。作为由单层碳原子构成的蜂窝状二维原子晶体材料，石墨烯拥有无与伦比的特性。理论上讲，它是导电性和导热性较好的材料，也是理想的轻质高强材料。正因如此，一经问世便吸引了全球范围的关注。石墨烯有可能创造一个全新的产业，石墨烯产业将成为未来全球高科技产业竞争的高地，这一点已经成为国内外学术界和产业界的共识。从2004年至今，已经有了近十六年的历史沉淀。无论是石墨烯的基础研究，还是石墨烯材料的产业化实践，人们都有了更多的一手材料，更有可能对石墨烯材料有一个全方位套丛书出的、科学的、理性的认识。总结历史，是为了更好地走向未来。对于新兴的石墨烯产业来说，战略前沿新材料——石墨烯出版工程的出版意义也是不言而喻的。事实上，国内外已经出版了数十部石墨烯相关书籍，其中不乏经典性著作。本丛书的定位有所不同，希望能够全面总结石墨烯相关的知识积累，反映石墨烯领域的国内外前沿研究进展，展示石墨烯新材料的产业化现状与发展前景，尤其希望能够充分体现国人对石墨烯领域的贡献。本丛书共包括22分册，执笔作者20余位，都是石墨烯领域的重量级学者、专家，因此可以从源头上保障丛书的专业性和科学性。丛书分五大部分，囊括了从石墨烯的基本性质和表征技术，到石墨烯材料的制备方法及其在不同领域的应用，以及石墨烯产品的计量检测标准等全方位的知识总结。同时，两份产业研究报告详细阐述了世界各国的石墨烯产业发展现状和未来发展趋势。除此之外，丛书还为广大石墨烯迷们提供了一份科普读物《有问必答：石墨烯的魅力》，针对广泛征集到的石墨烯相关问题答疑解惑，去伪求真。本丛书的内容涵盖石墨烯新材料的方方面面，每个分册也相对独立，具有很强的系统性、知识性、专业性和即时性，凝聚着各位作者的研究心得、智慧和心血，供不同需求的广大读者参考使用。希望丛书的出版对中国的石墨烯研究和中国石墨烯产业的健康发展有所助益。1. “战略前沿新材料——石墨烯出版工程” “十三五”国家重点出版物出版规划项目/国家出版基金丛书由石墨烯的基本性质与表征技术、石墨烯的制备技术和计量标准、石墨烯的分类应用、石墨烯的发展现状报告、石墨烯科普知识等五大部分共22分册构成，本书为18分册。2. 丛书由我国石墨烯研究领域的主要开拓者及我国石墨烯发展的重要推动者、北京大学教授、北京石墨烯研究院创院院长刘忠范院士亲自策划并担任总主编。3.全书采用80克雅质纸，彩色印刷，清晰直观地展现了石墨烯的结构、模拟及表征结果。