石墨烯材料具有非常优异的性能，其广阔的应用前景在全球科技界和工业界一石激起千层浪。正如本书所写，石墨烯可以用在储能、光电、传感器、电力发电、医疗等众多领域，谁能尽快在石墨烯领域取得重大突破，谁就有可能在新一届的材料革命中拔得头筹，占领先机。另外，本书还详细介绍了石墨烯基本理论及工业化应用，对于准备进入石墨烯行业的初学者来说是一个不错的选择。

精彩书摘

能源业已逐渐成为购买以石墨烯为基础的材料的大客户，用于生产蓄能器、太阳能电池以及过滤器。在此，客户名单包括巴斯夫股份公司(BASF)、拜耳公司（Bayer）和陶氏化学公司（Dow Chemical）。

角斗士财团，包括来自七个欧洲国家的成员，将其重点放在以石墨烯为基础的储能材料的商业化上。该财团包括八家企业以及六所大学和研究所。

石墨烯电池和电极已显示出许多先进之处。西北大学的研究人员已于2011年合成了一种石墨烯电极，它将锂电池的蓄电量增加了10倍，充电快10倍且更持久。电池阳极由石墨烯片组成，在上面打上许多10～20nm的小孔，且在两个石墨烯片中间会引入硅簇。在石墨烯片上打小孔的优点在于锂离子无需在每个石墨烯层的外部边缘进行传送，而是在石墨烯上已打好的小孔中直接传送。Vorbeck Material开发生产了石墨烯锂电池。2013年，总部位于密歇根州的XG Sciences 公司也已开发出一种用石墨烯做阳极的锂电池，这比传统电池的蓄电量高四倍。该公司得到了来自美国能源部的财政支持。

石墨烯超级电容器公司发现石墨烯是一种最有希望实现高性能超级电容器的材料，因为以石墨烯为基础的超级电容器显示出高稳定性，并提升双层电容器的电学性能，以及在高电流密度下保持快速充放电和高能量密度，这一点归功于增强了离子电解质与深层区域的接触性。最近一项突破是加利福尼亚大学洛杉矶分校的研究人员开发出了微型石墨烯超级电容器。他们将硅簇插入石墨烯片的每层之间。不言而喻，电子设备的小型化是目前的大势所趋。此外，将硅簇插入石墨烯片的每层之间还有另一个优点。纯石墨烯只可携带1个锂原子／6个碳原子，而每个硅原子可支承4个锂原子。因此，电池阳极的蓄能量更大，可以储存30000mA·h而非3000mA·h的电量。已证明它的充电时间也有所增强，15min即可充满电而非2h。然而，目前尚无使用石墨烯的超级电容器投入市场。

莱斯大学的研究人员正努力生产3D超级电容器。2014年12月，他们宣布通过使用其设计的激光诱导石墨烯（LIG），生产出了3D超级电容器。在激光诱导石墨烯加工过程中，一束由计算机控制的激光烧蚀一种聚合物以生产出一种适用于电子产品或蓄能器的柔性、定型多层石墨烯片。通过在每个聚合物片的两面用镭射光烧蚀石墨烯，他们已制造出了超级电容器。该部分同中间的固态电解质进行堆加以获得一个多层构造的微型超级电容器。他们准备将其尺寸放大，用于商业应用。因为他们发现与锂离子电池相比，同样尺寸的LIG超级电容器有3倍的动力性能（能量流动速度）。此外，LIG超级电容器是柔性的，且能在常温下的户外制成而不需要特殊的环境。LIG超级电容器必定能用于多种柔性电子产品。

另一项则是加拿大公司Lomiko Metals和Graphene ESD之间的合作。这两家公司共同努力开发成本低廉的以石墨烯为基础的超级电容器。这种电容器能承受很高的放电电流并且可作为电子产品、电动车和电力网的万能储能电容器。

前言/序言

原书前言

科学，是对错综复杂的自然法则持之以恒的探索，从小小的原子到浩瀚的宇宙，涉足其中一个特别的领域，即进入一门科学，如纳米科学和纳米技术。石墨烯是基于对碳纳米科技研究的产物，现已进入研究成就的顶峰时期，不断激励着多学科研究为各行各业提供可行性解决方案。在基于石墨烯的材料研究领域，已取得若干进展，如在相关能源应用领域，对燃料电池、超级电容及光电设备的研发。石墨烯及石墨烯复合材料，其自身拥有的独特属性，使之与能量收集领域产生了重要关联。此外，目前在过滤重金属离子和其他污染物领域，石墨烯的应用也是斐然可观。2010年研究石墨烯的科学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫荣获诺贝尔奖，吸引了众多特别是电子领域的研究者对石墨烯卓越性能的关注。

此书中我们试图尽自己的菲薄之力，呈现石墨烯的研究现状，以期应用于各行业。我们将这些研究成果置于科学、技术、商业及经济领域中，评估应用这些科技的可能性以及其与能源、微型化、通信、交通和医疗领域的相关性。

此书既阐述科学和技术细节，也涉及当今工业方法及需求，试图为在工业、学术、医疗领域涉足石墨烯科学及技术应用的新手、研究人员，从事研发创新的政府人员、企业家、工程技术人员、相关专业的学生和对此感兴趣的非专业人士提供参考。本书的读者是已经受过一定的专业教育，但或许对石墨烯技术还不够精通的人员。

原书序

石墨烯是世界上最为精妙的材料之一，它的厚度仅和原子相当，而其延展幅度却可以达到毫米级甚至厘米级。在2004年首例单层石墨烯制备之前，人们认为石墨烯是终极薄型“理想的”石墨，也是“神奇的”单壁碳纳米管。2010年研究石墨烯的科学家获得了诺贝尔奖。拜其所赐，此后，涌现出众多关于石墨烯的研究。能够触及和跟进石墨烯每一个相关领域的研究成果并非易事。因此，出版一本文字简洁、内容紧凑的顶级石墨烯书籍，已是业界翘首以盼之事。

玛杜丽·沙伦（Madhuri Shuron）教授和马赫斯赫瓦尔·沙伦（Maheshwar Sharon）教授此番大作的问世，正是顺应时势，众望所归。此书内容丰富、涉猎广泛，论及了石墨烯的基础结构、力学与电学特性，石墨烯技术的广泛应用，乃至石墨烯的工业化及商业化，可谓面面俱到，精彩纷呈。

2015年5月篠原久典

名古屋大学化学系

名古屋，日本

推荐序一

自2004年安德烈·海姆（Andre Geim）博士的团队从高定向石墨中机械剥离出单层石墨烯以来，这种拥有各种世界之最的材料的研发热度从单纯的学术研究拓展到了工业领域，并可能在多个方面改善或者彻底改变现有的材料体系。

石墨烯拥有所有材料中最高的载流子迁移速率，这就像给电子和空穴的运动提供了高速公路，彻底革新目前的半导体材料和器件；石墨烯拥有所有材料中最高的热导率，这将给困扰电子产品最多的热管理提供新的设计思路，并改善现有电子器件以及电子系统的设计；石墨烯是一种柔性透明导体，将在柔性电子领域替代目前广泛应用的氧化物陶瓷材料；石墨烯拥有极大的比表面积，可在新型储能器件的开发方面发挥极大的优势；石墨烯拥有极高的化学和光电灵敏特性，在高性能化学和光电传感器领域也有极为关键的表现……这些关键应用领域在本书中都有概括的内容介绍。

以上种种工业应用，都具有极大的想象空间，这也是为什么全世界都掀起了石墨烯学术和工业研究的热潮，如欧洲的旗舰计划、韩国的石墨烯国家战略、新加坡的国家石墨烯研究院等。中国的石墨烯研究和开发虽然在前沿领域的进展落后于欧美日同行，但在石墨烯工业化方面却是最积极、花费人力和物力最多的。在材料科研领域，和石墨烯相关的科研课题数目是最多的；在工业领域，中国也诞生了几十家创业公司，从事和石墨烯各个方向相关的产品开发活动；在金融领域，中国股市上有十几只石墨烯相关概念股票在进行资本运作。这些努力，在一定程度上都在推动石墨烯工业化的进展。

但在一定程度上，石墨烯的工业化却面临着所有新材料产业化的共同难题：慢。虽然市场对石墨烯的未来充满了期待，希望石墨烯能够充当“上帝材料”的角色，但所有新材料的发展都需要一个缓慢的过程，尤其是像石墨烯这种涉及面极其广泛的基础性材料。由于它是底层的基础材料，任何改变都会带动整个产业链的技术变革。这也是只要涉及石墨烯工业领域都会非常谨慎的原因。同时，在工业化过程中，石墨烯也需要适应原有的工艺体系。原有的工艺体系都是在原有的材料体系之上优化了十几年甚至几十年的结果。石墨烯作为新型的材料，需要调整自身的性质来适应现有的工艺体系，这在本书的第5章中也有部分叙述。

但任何的工业化技术二次开发过程都需要定向开发，需要一定的开发时间。以透明导电电极领域为例，石墨烯用于替代氧化铟锡（ITO）等透明导电氧化物，但石墨烯的面电阻却远高于ITO。这就要求二次技术开发过程中对石墨烯做掺杂等工艺处理来接近ITO的性质。同时，由于石墨烯本身的疏水特性，原有的导电油墨也需要做新的配方调整和工艺调整，才能配合石墨烯用于显示领域。这些工业化技术开发的过程，不只需要石墨烯的研发人员在石墨烯端进行工艺调整，同时也需要在下游应用领域和相关的配套材料领域的研发同步进行，需要上下游共同配合。

另一个限制石墨烯大规模应用的是工业化核心问题：成本。目前，石墨烯的制造成本相对于竞争材料还较高。不过这主要是由于石墨烯的生产量不大石墨烯：改变世界的新材料下载 mobi epub pdf txt 电子书格式