文 献 综 述
引言
碳黑、碳纳米管和层状硅酸盐等常常被用来增强聚合物纳米复合材料的机械性能、热性能、电性能和气体阻隔性能等。然而，随着社会的进步，人们对材料的性能提出了更高的要求。传统的聚合物复合材料已经不能满足人们的需求了，所以开发新的、具有更高性能的复合材料变得非常迫切。
碳材料包括坚硬的金刚石，柔软的石墨，1985年发现的富勒烯和1991年发现的碳纳米管。2004年，英国曼彻斯特大学的Gelm和Novoselov成功地从石墨中分离出可以单独存在的石墨烯，一种由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的新型二维碳材料[1] 。石墨烯被认为是其他各维材料的基本组成单位。例如，如果石墨烯的晶格中存在五元环的晶格，就会使得石墨烯片层翘曲，当有12个以上五元环晶格存在时就会形成富勒烯。同样，一维碳纳米管可以看作是卷成圆筒状的石墨烯。原料石墨可以看作是大量的石墨烯片层构筑而成的三维结构。石墨烯六角网面之间通过pi;电子相互作用形成三维体相石墨，所以石墨具有层状结构，并呈各向异性。至此，碳材料家族形成了从零维的富勒烯、一维的碳纳米管、二维的石墨烯至三维的石墨和金刚石的完整体系。石墨烯的发现，掀起了又一场关于碳材料的研究热潮。
1.石墨烯
1.1 石墨烯概述
石墨烯具有由碳六元环组成的二维周期蜂窝状点阵结构，由二维蜂窝状晶格紧密堆积而成，其中碳原子以六元环形式周期性排列于石墨烯平面内。每个碳原子通过sigma;键与邻近的三个碳原子相连，S，Px和Py。三个杂化轨道形成强的共价键合，组成sp2杂化的结构，具有120°的键角，赋予石墨烯极高的力学性能。剩余的Pz轨道的pi;电子在与平面垂直的方向形成pi;轨道，此pi;电子可以在石墨烯晶体平面内自由移动，从而使得石墨烯具有良好的导电性。石墨烯是目前世界上已知的最薄的二维材料，厚度仅为0.35nm；导热系数高达5000 Wm-1K-1[2]，高于碳纳米管和金刚石；常温下其电子迁移率约为200000 cm-2 V-1s-1[3]，高于碳纳米管和硅晶体；超高的杨氏模量（~1000Gpa）和断裂强度（~125 Gpa）[4]；以及常温下可观察到量子霍尔效应。这些奇特的性质激起了人们对石墨烯极大的研究兴趣。
1.2 石墨烯的制备
近几年来，国内外石墨烯的制备方法主要有微机械力剥离法、外延晶体生长法、化学气相沉积法、石墨的氧化一还原法。Novoselov等最早采用“微机械力剥离法”，即通过机械力从高取向高温热解石墨表面剥离石墨烯，然后转移到氧化硅等载体表面上。虽然这种方法可以制各微米级尺寸的石墨烯片层，但是其可控性较低，难以实现太规模制各。Lanzara[5]及其合作者报道了一种在碳化硅晶片表面外延生长石墨烯的方法，该方法需要高真空度和高温（1500℃以上），而且难以获得大面积、厚度均一的石墨烯。化学气相沉积法是以金属单晶或金属薄膜为衬底，在其表面上暴露并高温分解含碳化合物可以生成石墨烯结构，通过选择衬底的种类、前驱物的暴露量、生长的温度等生长参数来可控地合成石墨烯。这种方法可以获得尺寸较大、纯度较高的石墨烯薄膜，但是所制得的石墨烯表面没有丰富的官能团，化学活性低，对其进行化学改性和表面修饰比较困难，不利于实现石墨烯的功能化，限制了其向催化、复合材料等应用领域的拓展。
石墨的氧化还原法是目前应用最广泛的合成石墨烯的方法，即将石墨在强酸和强氧化剂作用下得到剥离结构的氧化石墨，再在强剪切力或超声波作用下得到单片层的氧化石墨烯，最后用还原剂还原得到单层或多层石墨烯。制各氧化石墨的经典方法有Brodie法、Staudenmaier法以及Htmmler法；常用的化学还原剂有水合肼、氢氧化钠(钾)、硼氢化钠[6-7]、氢碘酸[8]、固体硫[9]、硫磺酸[10]、维生素C[11]、对苯二酚和邻苯三酚[12]。石墨的氧化还原法制备石墨烯具有产率高、声量大、成本低、可操作性强等优点，被视为最有希望实现石墨烯丈规模生产的方法。此外，这种方法生产的石墨烯表面含有丰富的官能团，为其进一步的功能化提供了活性位点，对于拓展石墨烯的性能和应用有着重大的意义和广阔的前景。
