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。