一本书读懂石墨烯电子书

内容提要

前言

第一章 有趣的发现

第一节 石墨烯是什么

一、石墨烯和石墨的关系

二、名字的由来

第二节 石墨烯的发现过程

第三节 一石激起千层浪

一、颠覆了人们的传统观念

二、“新材料之王”

三、广阔的前景——石墨烯时代

第二章 显赫的家族Ⅰ ——石墨

第一节 碳材料家族

第二节 石墨的性质

一、硬度低、强度低、韧性差

二、润滑性

三、耐热性

四、热膨胀性

五、导热性

六、导电性

七、化学稳定性

第三节 石墨的应用

一、制造铅笔的笔芯

二、润滑剂

三、电极

1．干电池的电极

2．电火花加工的工具电极

3．工业电炉的电极

四、坩埚

五、耐腐蚀材料

六、在核工业中的应用

第四节 石墨的生产

1．物理提纯法

2．化学提纯法

第五节 膨胀石墨

一、机械密封

二、环境保护

三、催化剂载体

四、阻燃材料

五、储能材料的载体

六、军事方面的应用

1．红外隐身材料

2．磁性隐身材料

3．烟雾弹

第三章 显赫的家族Ⅱ ——金刚石、富勒烯、碳纳米管

第一节 金刚石

一、结构

二、性质

1．颜色、透明度

2．硬度

3．光泽

4．化学稳定性

5．热性能

三、应用

1．珠宝首饰

2．机械工业

3．光电技术领域

4．其它应用

四、产地

五、人造金刚石

第二节 踢足球引出的诺贝尔奖——富勒烯

一、富勒烯是什么

二、发现过程

三、性质和应用前景

1．高硬度耐磨材料

2．微型轴承

3．润滑材料

4．催化剂载体

5．气体储存

6．生物医药领域

7．其它领域

四、制备方法

1．电弧法

2．燃烧法

3．太阳能蒸发石墨法

第三节 碳纳米管

一、碳纳米管是什么？

二、发现过程

三、性质和应用前景

1．高性能复合材料

2．环境保护

3．催化剂载体

4．储氢材料

5．电子元器件

6．锂离子电池

7．高灵敏度传感器

8．纳米试管

9．纳米模具

四、制备方法

1．电弧放电法

2．化学气相沉积法

3．激光蒸发法

第四章 天生异相 ——石墨烯的结构

第一节 石墨烯之美

一、形式美

二、“无限”美

三、飘逸美

第二节 神奇的六边形

1．充分利用空间，避免浪费

2．节省材料和时间

3．强度高

第三节 “碳”网恢恢——石墨烯的尺寸

一、石墨烯的六边形

二、厚度

第四节 石墨烯的种类

一、单层石墨烯

二、双层石墨烯

三、少层石墨烯

第五节 石墨烯的真面目

一、表面褶皱、折叠、扭曲

二、边缘翘曲

三、石墨烯的缺陷

1．点缺陷

2．线缺陷

3．外来缺陷

第五章 打开“未来之门”的钥匙 ——石墨烯的性质

第一节 比表面积

第二节 力学性质

一、坚如磐石——硬度

二、坚不可摧——强度

三、百折不挠——韧性

四、轻如鸿毛——密度

第三节 电性质

一、石墨烯的电子结构特点

二、电子迁移率

三、导电性

四、温度的影响

五、电性质的可控性

六、超导性

第四节 热性质

一、导热性

二、熔点和耐热性

三、比热容

四、热膨胀性

第五节 光学性质

一、颜色

二、透明性

三、不“挑食”——吸收范围宽

四、可调控性

第六节 磁性质

一、掺杂

二、吸附

三、产生空位

四、人工磁化

五、和磁性材料复合

六、石墨烯对磁性材料的影响

第七节 化学性质

一、溶解性

二、吸附性

三、耐腐蚀性

四、化学活性

第六章 大显身手 ——石墨烯在电子领域里的应用

第一节 让网速更快

一、调制解调器（Modem）

二、石墨烯调制解调器

1．信号的调制速度快

2．灵敏度高

3．性能稳定、可靠，不容易出故障

4．体积小

5．能耗低

6．成本低

7．应用广泛

第二节 更快、更轻、更便宜的石墨烯电脑

一、摩尔定律

二、摩尔定律的危机

三、小者为王

四、石墨烯电子元器件的优点

五、石墨烯存储器

1．磁盘

2．光盘

3．闪存卡

4．石墨烯存储器

六、石墨烯超级计算机

第三节 石墨烯手机

一、石墨烯柔性屏幕

二、其它柔性部件

第四节 其它

一、发光二极管

二、石墨烯纳米发电机

三、纳米变压器

四、石墨烯激光器

第七章 大显身手 ——石墨烯在能源领域里的应用

第一节 石墨烯电线和电缆

第二节 石墨烯超导体

一、石墨烯超导电线和电缆

二、石墨烯超导发电机

三、石墨烯超导计算机

四、《阿凡达》中的悬浮山——迈斯纳效应

五、迈斯纳效应的应用

1．培养青少年对科技的兴趣

2．超导磁悬浮列车

3．其它磁悬浮交通工具

4．磁悬浮鞋——可以让人“腾云驾雾”

5．磁悬浮滑板

6．磁悬浮机械

7．磁悬浮建筑

8．核反应的容器——“磁封闭体”

9．超导核磁共振

第三节 石墨烯锂离子电池

一、什么是锂离子电池

二、工作原理

三、锂离子电池的优点

1．能量密度高

2．可以反复充电和放电

3．安全性好

4．环境友好

四、目前锂离子电池的问题

1．比容量不够高

2．循环性能较差

3．充电速度慢

4．安全性

五、石墨烯在锂离子电池里的应用

1．作为导电添加剂

2．石墨烯单独作为负极材料

3．石墨烯和其它材料形成复合材料，制作锂离子电池的负极

第四节 石墨烯太阳能电池

一、太阳能电池的原理

1．单晶硅太阳能电池

2．薄膜太阳能电池

3．染料敏化太阳能电池

二、太阳能电池的优点

三、目前的问题和发展趋势

四、石墨烯在太阳能电池里的应用前景

1．石墨烯的透光率更高

2．导电性

3．力学性能

4．耐热性

5．化学稳定性

6．成本

五、石墨烯在太阳能电池中的应用

第五节 石墨烯超级电容器

一、电容器的结构

二、电容器的作用

1．储存电能

2．滤波作用

3．通交流隔直流作用

4．调谐作用

三、超级电容器

1．储电量大

2．充、放电速度快

3．功率密度高

4．循环寿命长

5．工作温度范围宽

6．安全性好

7．环境友好

8．成本较低

四、超级电容器的应用

1．汽车电源

2．军事领域

3．新能源领域

五、面临的问题

六、石墨烯在超级电容器里的应用

1．插层法

2．用表面活性剂修饰石墨烯的表面

3．保持氧化石墨烯的含氧基团

4．对石墨烯进行官能团修饰

5．弯曲或卷曲石墨烯

6．制造多孔石墨烯

7．制备石墨烯水凝胶

8．制备复合电极材料

9．石墨烯电极的结构设计

10．新型电解质

七、前景

第八章 大显身手 ——明察秋毫的石墨烯传感器

第一节 电子感官——传感器

一、传感器是什么

二、种类

三、传感器的组成

四、应用

五、发展趋势

1．灵敏度更高

2．响应速度

3．微型化

4．低成本

六、石墨烯在传感器里的应用前景

1．能提高传感器的灵敏度

2．能提高传感器的分辨率和精度

3．响应速度快

4．使用寿命长

5．能实现微型化

6．成本低

第二节 石墨烯光电传感器

一、光线传感器

二、红外线传感器

三、烟雾报警器

四、PM2.5浓度的检测

五、石墨烯光电传感器

1．石墨烯光伏型光探测传感器

2．石墨烯光热电型光探测传感器

3．石墨烯-半导体复合光探测传感器

4．三维石墨烯场效应管光电传感器

5．光感提高1000倍的石墨烯图像传感器

第三节 石墨烯“警犬”——高灵敏化学传感器

一、化学传感器

二、石墨烯化学传感器

第四节 其它传感器

一、触控屏和传感器

二、压力传感器

三、加速度传感器

1．汽车安全气囊

2．计步功能

3．相机的防手抖功能

4．硬盘保护

四、其它的石墨烯传感器

1．石墨烯触控传感器

2．石墨烯质量传感器

3．石墨烯应力应变传感器

4．石墨烯电场传感器

5．石墨烯磁场传感器

第九章 大显身手 ——石墨烯在力学、化学、医学等领域的应用

第一节 石墨烯“软猬甲”

一、刀枪不入——石墨烯“软猬甲”

1．软猬甲

2．现实生活中的“软猬甲”——防弹衣

3．石墨烯防弹衣

二、石墨烯绳索

1．建造太空电梯

2．高强度绳索

三、“不倒钉”的克星——石墨烯“轮胎王”

1．“不倒钉”的克星

2．不容易爆胎

3．耐磨性好

4．重量轻

四、石墨烯在汽车上的应用

1．提高车身的强度

2．制造超轻型汽车

3．制造发动机气缸

五、石墨烯飞行器

六、石墨烯在日用品中的应用

1．不怕摔的碗

2．石墨烯耐磨鞋袜

3．石墨烯玻璃、石墨烯塑料和石墨烯纸张

七、制造其它二维材料

第二节 石墨烯的热性质的应用

一、石墨烯耐高温材料

1．太阳探测器

2．石墨烯“太空海绵”

3．车削刀具

二、石墨烯散热材料

1．散热片

2．暖气片

3．导热塑料和导热陶瓷

4．制造纳米流体

5．F1赛车的驾驶舱

6．异想天开——利用石墨烯开发地热资源

三、石墨烯发热材料

1．石墨烯发热

2．应用

第三节 石墨烯的化学性质的应用

一、石墨烯防腐涂料

二、石墨烯超级海绵

1．石墨烯气凝胶

2．应用

3．石墨烯气凝胶的制备方法

三、用石墨烯进行水制氢

四、氢气的保险箱——储氢材料

第四节 石墨烯在医疗领域的应用

一、药物输送载体

二、石墨烯抗菌药物

三、疾病诊断

四、人造器官

五、石墨烯注射器

第十章 巧夺天工 ——石墨烯的制造方法

第一节 微机械剥离法

一、胶带剥离法

二、胶带剥离法的改进

三、微摩擦法

四、球磨剥离法

五、微机械剥离法的特点

第二节 外延生长法

一、碳化硅外延生长法

1．方法

2．特点

3．改进方法

二、金属催化外延生长法

第三节 化学气相沉积法

一、化学气相沉积法概述

二、化学气相沉积法制造石墨烯

1．方法

2．改进方法

3．机制

4．影响因素

5．特点

第四节 氧化-还原法

一、方法

1．以普通石墨或膨胀石墨为原料

2．加入强氧化剂和强酸，对石墨进行氧化和插层

3．氧化石墨的剥离

4．氧化石墨烯的还原

二、影响因素

1．氧化石墨的制备

2．氧化石墨烯的还原

三、特点

第五节 其它方法

一、液相剥离法

1．用酸或有机物做插层剂

2．添加辅助材料

3．使用表面活性剂

4．加入离子液体

5．液相剥离膨胀石墨

二、切割碳纳米管法

三、取向附生法

四、电化学法

五、电弧放电法

六、氧化减薄石墨片法

七、超薄切片法

八、苯取代法

九、氩原子轰击法

十、氯磺酸溶解法

第六节 石墨烯的转移

一、腐蚀基底法

二、胶剥离法

三、小分子物质辅助转移

四、无胶转移

五、卷对卷转移

第七节 发展趋势

第十一章 火眼金睛——石墨烯的检测Ⅰ ——化学成分分析

第一节 能谱仪和波谱仪

一、能谱仪和波谱仪概述

二、特点

三、在石墨烯里的应用

第二节 X射线光电子能谱（XPS）

一、原理

二、发展史

三、XPS技术的特点

四、应用

第三节 X射线荧光光谱（XRF）

一、原理

二、X射线荧光分析

三、特点

第四节 红外光谱

一、原理

二、红外光谱仪

三、特点

四、应用

第五节 拉曼光谱

一、原理

1．光的散射

2．拉曼散射

3．拉曼效应的应用——化学成分测试

二、拉曼光谱分析

三、特点

四、应用

第十二章 火眼金睛——石墨烯的检测Ⅱ ——微观结构测试

第一节 X射线的发现

第二节 X射线的性质

一、穿透性

二、X射线是一种电磁波

三、能使一些材料发出荧光

四、能使一些材料发生电离

五、能使照相底片感光

六、热效应

七、颜色效应

八、可以发生反射、折射、衍射、干涉

九、对生物组织的影响

第三节 X射线的应用

一、放射性的发现

二、医疗影像

三、X射线治疗技术

四、安检

五、无损检测

六、在天文学上的应用

七、新材料

第四节 X射线衍射技术（XRD）

一、发展

二、XRD原理

三、XRD在石墨烯中的应用

第五节 电子衍射

第十三章 石墨烯的改性和功能化

第一节 改性和功能化的作用

一、作用

二、途径

三、改性方法

第二节 共价键结合改性

一、碳骨架改性

二、羟基改性

三、羧基改性

四、聚合物改性

第三节 非共价键结合改性

一、π—π键改性

二、氢键改性

三、离子键改性

四、静电改性

第四节 原子掺杂改性

一、掺杂氮原子

二、掺杂硼原子

三、掺杂氟原子

第五节 纳米微粒改性

第六节 缺陷改性

一、离子轰击

二、制造多孔石墨烯

第十四章 氧化石墨烯

第一节 化学组成和结构

一、形成过程

二、化学组成

三、结构

第二节 氧化石墨烯的性质

一、亲水性

二、分散性

三、相容性

四、表面活性

五、光敏感性

六、导电性较低

七、力学性能

八、成本

第三节 氧化石墨烯的制备方法

一、Brodie法

二、Staudenmaier法

三、Hummers法

四、其它方法

第四节 氧化石墨烯制品的制备

一、氧化石墨烯纤维的制备

二、氧化石墨烯薄膜的制备

1．涂覆法

2．自组装法

3．浸涂法

第五节 氧化石墨烯复合材料

一、氧化石墨烯-聚合物复合材料

二、氧化石墨烯-金属复合材料

三、氧化石墨烯-无机物复合材料

第六节 氧化石墨烯的应用

一、制备石墨烯的原料

二、防腐

三、制造多种复合材料

四、传感器

五、药物载体

六、环保领域

七、海水淡化

八、光电器件

第七节 未来的发展趋势

一、氧化石墨烯的纯度

二、氧化石墨烯的可控制备

三、氧化石墨烯的聚集

四、氧化石墨烯的安全性

第十五章 石墨烯复合材料

第一节 复合材料

一、什么是复合材料？

二、种类

1．按基体材料分类

2．按增强体的化学成分分类

3．按增强体的几何形状分类

三、应用

第二节 石墨烯复合材料类型

1．石墨烯增强复合材料

2．石墨烯负载的复合材料

3．石墨烯包覆的复合材料

4．石墨烯层状复合材料

第三节 石墨烯-聚合物复合材料

一、石墨烯对强度的影响

二、石墨烯对耐磨性的影响

三、石墨烯对热性能的影响

四、石墨烯对电性能的影响

五、新性能

第四节 石墨烯-金属复合材料

一、贵金属修饰石墨烯

1．石墨烯-铂微粒复合材料

2．石墨烯-纳米银微粒复合材料

3．石墨烯-纳米金微粒复合材料

二、块体石墨烯-金属复合材料

三、激光3D打印石墨烯-铝纳米复合材料

第五节 石墨烯-纳米微粒复合材料

一、石墨烯-TiO2复合材料

二、石墨烯-ZnO复合材料

三、石墨烯-Fe3O4复合材料

四、石墨烯-其它金属氧化物复合材料

五、石墨烯-硫化物复合材料

六、石墨烯-磷酸铁锂（LiFePO4）复合材料

第六节 石墨烯-碳基材料复合材料

一、石墨烯-炭黑复合材料

二、石墨烯纳米增强新型复合材料

三、石墨烯-碳纳米管复合材料

四、石墨烯-富勒烯复合材料

第七节 发展前景

第十六章 石墨烯的产业化 ——挑战与机遇

第一节 广阔的前景——3D市场

第二节 国家竞赛

一、美国

二、欧盟

三、日本

四、韩国

五、中国

六、累累硕果

第三节 问题与挑战

一、面临的问题

二、原因分析

1．石墨烯的质量

2．产品的实际性能

3．成本高

三、建议

1．保证石墨烯的质量

2．提高石墨烯产品的性价比

3．避免炒作

4．脚踏实地，开发真正有效果的产品

四、第？次浪潮——石墨烯的未来

第十七章 意义和启示

第一节 令人期待的“下一个”

一、“下一个”是什么

二、石墨烯和石墨

三、类石墨烯材料

1．层状二硫化钼

2．层状六方氮化硼

3．二维黑磷

第二节 科学家的故事和启示

一、好奇心之一：胶带上有什么？

二、好奇心之二：把水倒进仪器里会发生什么？

三、好奇心之三——兴趣广泛

四、“星期五晚上的实验”——走适合自己的路

五、不循规蹈矩

六、坦然、淡定的“平常心”

七、善于合作