石墨烯的功能化及其在太阳能电池中的应用
石墨烯材料的特点以及在各个领域中的应用
石墨烯材料的特点以及在各个领域中的应用
石墨烯是一种由碳原子构成的单层薄炭素材料，具有许多独特的特点和广泛的应用。
以下是石墨烯材料的特点以及在各个领域中的应用。
特点：
1. 高强度和高硬度：石墨烯的强度比钢高200倍，硬度比金刚石高五倍。
2. 轻量和薄：石墨烯仅有一个原子层厚度，非常轻便。
3. 电子迁移速度快：电子在石墨烯中移动的速度非常快，是现有材料的几百倍。
4. 热稳定性好：石墨烯可以承受高温，不易熔化或分解。
5. 非常透明：石墨烯能够使90%的光线穿透，是目前已知的最透明的材料之一。
应用：
1. 电子学：石墨烯非常适合用于电子学领域，因为它的电子迁移速度非常快，在电子器件中能够提供更快的信号传输速度。
例如，石墨烯可以用于制造晶体管、场效应晶体管和光电二极管等。
2. 医学：石墨烯可以用于制造医用传感器和医疗设备。
例如，石墨烯传感器可以检测人体内某些化学物质的浓度，对于监测病情和治疗非常有用。
3. 能源：石墨烯还可以用于制造太阳能电池和储能器。
例如，石墨烯太阳能电池可以将太阳能转换为电能，而石墨烯储能器可以在短时间内存储大量电能。
4. 环境保护：石墨烯可以用于净化和过滤水和空气。
例如，石墨烯纳米过滤膜可以去除水中的杂质和污染物，而石墨烯纳米过滤器可以去除空气中的有害物质和颗粒物。
总之，石墨烯具有许多独特的特点和广泛的应用，在未来的科技领域中具有重要的发展前景。
石墨烯在能源与环保研究中的应用
石墨烯在能源与环保研究中的应用石墨烯是一种由碳原子构成的二维晶体材料，具有极高的导电性、热导性和强度，因此在能源和环保领域中被广泛研究和应用。
以下将介绍石墨烯在能源与环保研究中的应用以及未来的发展方向。
一、能源方面1. 电池石墨烯在电池领域中的应用有许多发展前景。
石墨烯有着高导电性和优秀的化学稳定性，能够提高电池的能量密度和电极电化学性能。
通过将石墨烯用于锂离子电池的正负极，可以显著提高电池的性能，实现更快的充电速度和更高的电池容量。
同时，在太阳能电池中加入石墨烯，也能有效地提高光电转换效率和稳定性。
2. 储能材料石墨烯具有高表面积和强大的化学反应能力，这使得它成为储能领域中的理想材料。
目前，许多研究人员正在探索使用石墨烯作为电化学储能器件的主要材料。
这些储能器件可以储存更多的能量，耗费更少的空间，更快地充电和放电，并具有更长的使用寿命。
二、环保方面1. 污染物净化石墨烯对于环境污染物的吸附能力很强。
通过控制石墨烯的孔隙结构和化学性质，可以使其吸附和迅速去除水中的有害物质，例如有机污染物、重金属离子和放射性物质等。
另外，在空气净化和油气回收领域中，也有石墨烯的应用。
例如，一些研究者使用石墨烯氧化物制成的过滤膜能够有效过滤空气中的有害颗粒物，达到了更高的净化效率。
同样，在油气回收领域中，石墨烯也是制备精密隔膜过滤器的一种有效材料，使其具有去除油气中杂质的能力。
2. 土壤环境修复石墨烯在土壤修复领域中也有着广泛的应用前景。
污染土壤通常含有大量的化学毒素和重金属离子，对生态环境和人类健康造成威胁。
石墨烯的高吸附和催化活性使其成为一种有效的吸附剂和催化剂，在土壤修复中具有潜在的应用价值。
结论石墨烯在能源领域中的应用主要涉及电池和储能材料的研究，可提高电池的性能和能量密度。
在环保领域中，石墨烯的应用范围更加广泛，主要包括污染物净化和土壤环境修复等方面。
未来，石墨烯在能源和环保领域中的应用前景仍然是广阔的，可以期待着更多的应用场景和更高的应用价值。
石墨烯在光伏领域中的应用
石墨烯在光伏领域中的应用石墨烯是目前世界上最薄的材料，仅有一个原子厚度，却具有出色的导电性和光学性能。
这 unique 的特质使得石墨烯成为了近年来科学界研究热点之一，同时也被广泛地应用于各个领域。
其中，在光伏领域，石墨烯的应用也逐渐受到人们的重视。
一、石墨烯在光伏领域中的应用概况石墨烯在光伏领域中的应用主要有两个方向。
一是用石墨烯制造太阳能电池，以提高电池效率和降低成本；另一个方向是用石墨烯制造光伏材料，以提高光伏材料的转化效率和耐久性。
在太阳能电池方面，石墨烯的最大优势是能够提高电池的效率。
由于其超强的导电性和光学透过率，可以充分吸收太阳光，并将电子传导到电极上，从而提高电池的发电效率。
同时，石墨烯还可以被用作窄带透射滤光器，防止太阳光在太阳能电池内部的反射和损耗。
在光伏材料方面，石墨烯的应用主要是作为光伏材料的增强剂和防腐剂。
石墨烯可以被添加到传统的光伏材料中，加强光伏材料的力学性能和稳定性，同时减少材料的老化速度，提高材料的使用寿命。
此外，石墨烯还可以作为光敏器件的基底材料，以提高器件的转化效率和降低功率损耗。
二、石墨烯在太阳能电池中的应用石墨烯作为太阳能电池的材料，主要有两种应用方式：一是用石墨烯制造电极，二是将石墨烯作为添加剂加入到其他材料中。
目前，用石墨烯制造电极的方法已经被广泛地研究和应用。
石墨烯可以被用作电极材料，主要是由于其极高的导电性和电子移动能力。
最近的一项研究表明，用石墨烯制造的电极可以提高太阳能电池的效率，同时还能有效地防止电池老化。
此外，石墨烯还可以被使用于半透明太阳能电池中，如果将石墨烯的透明性和导电性相结合，可以制造出高透明度、高通量的太阳能电池。
除了作为电极材料，石墨烯还可以被添加到其他材料中，用于改进太阳能电池的性能。
例如，石墨烯可以被添加到有机太阳能电池中，通过提高材料的导电性和光学透过率，提高了太阳能电池的转换效率。
同时，石墨烯还可以被添加到铜铟镓硒的薄膜太阳能电池中，以保护太阳能电池免受湿度和氧气的氧化，提高太阳能电池的稳定性和使用寿命。
功能化石墨烯的制备及应用
功能化石墨烯的制备及应用石墨烯是一种由碳原子组成的一层厚的二维结构材料，具有高导电性、高导热性、超高比表面积、良好的机械性能和化学稳定性等优异特性，因而成为材料领域研究的热点和前沿。
为了实现石墨烯的工业化应用，需要针对其性质进行各种功能化修饰。
因此，本文将着重讨论以石墨烯为原材料的功能化修饰技术和应用。
一、石墨烯的制备技术石墨烯的制备技术可以分为机械剥离法、化学气相沉积法、化学还原法、物理气相沉积法和氧化石墨烯还原法等多种方法，其中机械剥离法和化学气相沉积法的应用最为广泛。
机械剥离法是将石墨材料通过力学剥离的方式制备石墨烯。
这种方法成本低廉，制备出的石墨烯品质较好，但是缺点也很明显，即杂质杂质多，生产成本高。
化学气相沉积法是利用金属或者金属化合物的催化作用，在高温的条件下将碳源分子分解产生石墨烯。
这种方法制备的石墨烯质量较好，生产效率也比较高，但是都要在特定高温高压及真空的条件下进行，对设备和技术要求较高。
二、石墨烯的功能化修饰技术石墨烯的功能化修饰主要是指针对石墨烯表面进行不同的化学修饰，以改变石墨烯的物理、化学性质。
主要包括氧化、还原、功能化、掺杂等多种方法。
1. 氧化石墨烯：将石墨烯表面的碳与氧作用结合，形成氧化石墨烯。
石墨烯的氧化可以在其表面形成和羟基、羧基、酮基等官能团，可以提高石墨烯与其他化学物质的响应性，也降低了其电导率。
氧化石墨烯的制备简单，但是对于石墨烯的电导性能和结构有一定的影响。
2. 还原石墨烯：将氧化石墨烯进行还原，可以恢复石墨烯的电学性质。
还原石墨烯还可以在石墨烯表面引入被还原的杂原子，进而实现对石墨烯各种性质的修饰。
3. 功能化石墨烯：通过引入不同的官能团和分子可以实现石墨烯的功能化。
功能化的目的是在石墨烯的表表面引入各种化学结构，改变石墨烯的性质，如增强机械性能、改变热学性质等。
常用官能团有COOH、OH、NH2等。
4. 掺杂石墨烯：通过引入异型原子或者化合物到石墨烯中实现对石墨烯的掺杂修饰，进而改变其电学性质、光学性质、磁学性质等。
石墨烯的功能化改性及应用研究
石墨烯的功能化改性及应用研究石墨烯是一种由单层碳原子组成的二维材料，具有出色的物理、化学和机械性能。
自2004年被成功分离以来，石墨烯在能源、材料、生物医学等领域的应用引起了广泛。
然而，石墨烯的化学稳定性、生物相容性以及在水溶液中的分散性等问题限制了其广泛应用。
因此，对石墨烯进行功能化改性具有重要的实际意义。
功能化改性是提高石墨烯应用性能的有效途径。
改性的方法主要包括氧化、还原、官能团化、共价键合等。
通过这些方法，可以改变石墨烯的表面性质、水溶性、分散性等，以满足不同应用场景的需求。
氧化石墨烯是一种常见的石墨烯衍生物，通过在石墨烯表面引入羟基、羧基等基团，提高其水溶性和分散性。
还原氧化石墨烯则是在氧化石墨烯的基础上，通过还原剂将氧化基团还原为氢基团，以恢复石墨烯的导电性能。
官能团化石墨烯是通过化学反应在石墨烯表面引入特定官能团，如氨基、巯基等。
这些官能团可以与其它分子或离子反应，实现对石墨烯功能的进一步拓展。
共价键合则是通过在石墨烯表面引入功能化的基团，实现与其他分子或材料的键合。
经过功能化改性后，石墨烯在各个领域的应用研究得到了广泛开展。
在电子领域，功能化石墨烯可用于制作透明导电膜、场效应晶体管、储能器件等。
在纳米制备领域，功能化石墨烯可用于制备纳米药物、纳米催化剂、纳米传感器等。
在复合材料领域，功能化石墨烯可用于增强金属、陶瓷、高分子等材料，提高其力学、电磁、热学等方面的性能。
功能化石墨烯在能源、生物医学等领域也有广泛的应用前景。
尽管石墨烯的功能化改性和应用研究已经取得了显著的进展，但仍存在许多问题需要进一步探讨。
功能化改性的方法需要进一步完善，以提高石墨烯的性能和稳定性。
石墨烯的大规模制备和分离仍然是亟待解决的问题，需要开发更为高效和经济的方法。
石墨烯的生物相容性和生物活性需要进一步研究，以拓展其在生物医学领域的应用范围。
本文介绍了石墨烯的功能化改性及其应用研究。
通过氧化、还原、官能团化和共价键合等方法，可以改善石墨烯的性能和应用范围。
石墨烯在能源领域的应用
石墨烯在能源领域的应用石墨烯是一种由碳原子构成的二维晶体，在材料科学领域被广泛关注。
由于其优异的力学、光学和电学性质，石墨烯在能源领域的应用潜力巨大。
第一，太阳能电池。
石墨烯能够充分改善传统太阳能电池效率低的问题。
石墨烯薄膜具有高度透明性，并且可以实现广谱光吸收。
通过将石墨烯薄膜引入到典型的硅太阳能电池中，发现其效率得到了显著提升，这使得石墨烯成为具有很大潜力的太阳能电池材料。
第二，高性能电池。
石墨烯与传统电池材料相比具有更高的表面积和导电性能，能够大幅度提高电池的储能密度和输出功率。
例如，在锂离子电池中，石墨烯导电网络的应用可以增加电池的有效表面积，并具有更高的离子扩散速率，从而实现更高的储能密度和性能。
第三，新型储能材料。
随着电动汽车市场的不断扩大，石墨烯在储能领域也展示出了强大的潜力。
石墨烯作为一种高效的超级电容器电极材料，具有很高的比表面积和重要的能量和功率密度，因此可以在储能材料和设备方面获得应用。
第四，超导应用。
在能源领域的另一个前沿领域，超导应用也是石墨烯的一个重要应用方向。
石墨烯具有卓越的电子结构和高度可控的超导性能。
目前，石墨烯材料已经在柔性超导体、超导透镜和超导短接器等方面取得了重要进展。
总之，石墨烯在能源领域的应用前景广阔，尤其是能够扩大太阳能电池、高性能电池、新型储能材料和超导应用的范围和领域。
未来，随着石墨烯相关技术和材料的不断改进和完善，我们有理由相信石墨烯将会在能源领域展现出更多的应用和创新。
石墨烯的应用现状及发展
石墨烯的应用现状及发展1. 引言1.1 石墨烯介绍石墨烯，是一种由碳原子构成的二维晶体结构材料，呈现出单层厚度的特性。
它具有许多惊人的特性，如极高的导电性、热导性和机械强度，使其被誉为“21世纪的黑金”。
石墨烯的碳原子排列形成了六角形的晶格结构，使其具有出色的导电性和导热性。
石墨烯还具有极高的强度和柔韧性，是一种非常轻巧而且坚韧的材料。
石墨烯的发现可以追溯到2004年，由英国曼彻斯特大学的研究团队首次成功剥离出石墨烯单层，并证明了它的存在。
这项突破性的发现为石墨烯的研究开辟了新的领域，吸引了全球各地的科学家、工程师和企业家的关注和投入。
自此以后，石墨烯在各个领域的应用潜力被不断挖掘和发掘，成为科技领域的热点之一。
1.2 石墨烯的发现石墨烯是一种由碳原子构成的二维晶体结构材料，厚度仅为一纳米，是迄今为止发现的最薄、最坚固、最导电的材料之一。
石墨烯最早是由英国曼彻斯特大学的安德烈·盖姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫于2004年成功分离出来。
他们是通过用胶带将石墨片一层一层地剥离，最终得到了单层厚度的石墨烯。
这项突破性的发现为石墨烯的研究开辟了新的篇章，也为后续的研究奠定了基础。
石墨烯的发现引起了全世界科研人员的广泛关注和研究热情，在材料科学、物理学、化学等领域掀起了一股研究热潮。
石墨烯的特殊结构和优异性能使其具有广阔的应用前景，在电子、光电、生物医学、材料等领域都有潜在的应用价值。
随着科技的不断进步和创新，石墨烯的潜力也将不断被挖掘和拓展，相信石墨烯将在未来发展中展现出更加广阔的前景。
2. 正文2.1 石墨烯在电子领域的应用石墨烯在晶体管、场效应晶体管（FET）和集成电路等方面展现出强大的潜力。
石墨烯晶体管可以实现更高的开关速度和更低的功耗，进一步推动晶体管技术的发展。
石墨烯的柔性和透明性也为柔性电子器件的制备提供了新的可能性。
石墨烯还可以用于制备高频率的微波器件、传感器和光电探测器等。
石墨烯的功能化及其相关应用
石墨烯的功能化及其相关应用一、本文概述石墨烯，一种由单层碳原子紧密排列形成的二维纳米材料，自2004年被科学家首次成功分离以来，便以其独特的电子、热学和机械性能，引起了全球科研人员的广泛关注。
由于其具有超高的电子迁移率、超强的导热性和极高的力学强度，石墨烯被誉为“黑金”，并有望引领新一轮的工业革命。
本文旨在深入探讨石墨烯的功能化方法，以及这些功能化后的石墨烯在各个领域的应用前景。
我们将从石墨烯的基本性质出发，详细阐述其功能化的基本原理和技术手段，包括化学修饰、物理掺杂等。
随后，我们将对石墨烯在能源、电子、生物医学、复合材料等领域的应用进行详细介绍，并分析其潜在的市场价值和挑战。
我们将对石墨烯功能化及其应用的未来发展趋势进行展望，以期能为相关领域的科研工作者和从业人员提供有益的参考和启示。
二、石墨烯功能化的方法石墨烯作为一种二维碳纳米材料，拥有出色的电学、热学和力学性能，这使得它在多个领域具有广泛的应用前景。
然而，原始石墨烯的化学稳定性较高，与大多数溶剂和分子的相容性较差，这限制了其在实际应用中的使用。
因此，对石墨烯进行功能化修饰，以提高其与其他材料的相容性和稳定性，成为了石墨烯研究领域的重要方向。
目前，石墨烯的功能化方法主要包括共价键功能化和非共价键功能化两大类。
共价键功能化是通过化学反应将官能团或分子共价连接到石墨烯的碳原子上。
这种方法可以精确控制石墨烯的化学性质，实现对其电子结构和性质的调控。
常见的共价键功能化方法包括重氮反应、环加成反应和自由基加成反应等。
通过这些方法，可以在石墨烯上引入羟基、羧基、氨基等官能团，从而改善其在溶剂中的分散性和与其他材料的相容性。
非共价键功能化则是通过物理相互作用，如π-π堆积、静电作用、氢键等，将分子或聚合物吸附到石墨烯表面。
这种方法不需要破坏石墨烯的碳碳共价键，因此可以在保持石墨烯原有性质的基础上，实现对其功能的拓展。
常见的非共价键功能化方法包括π-π堆积作用、表面活性剂包裹和聚合物吸附等。
石墨烯在能源领域中的应用及发展趋势
石墨烯在能源领域中的应用及发展趋势石墨烯是一种新型的材料，它是由碳原子形成的二维点阵结构，具有非常优异的物理、化学和机械性质。
作为一种极薄的膜材料，石墨烯在过去几年中引起了科学界和工业界的广泛关注。
石墨烯的应用领域非常广泛，其中能源领域是石墨烯应用的主要方向之一。
一、石墨烯在能源领域中的应用1. 太阳能电池石墨烯作为导电性能极强的材料，可以作为太阳能电池的电极材料。
石墨烯的导电性能比传统的电极材料如二氧化钛和铂更好，这意味着太阳能电池可以更高效地转换太阳能。
2. 锂离子电池石墨烯具有非常高的比表面积和导电性能，这使它成为锂离子电池的理想电极材料。
石墨烯作为锂离子电池的电极材料，可以大大提高电池的能量密度和充电速度。
3. 超级电容器石墨烯可以制成超级电容器的电极材料，它具有非常高的电容量和循环稳定性。
这使得超级电容器可以具有更高的能量密度和更长的使用寿命。
4. 储氢材料石墨烯可以制成储氢材料，它具有很强的吸氢性能。
石墨烯作为储氢材料可以在氢燃料电池、储氢罐等领域中发挥重要作用。
二、石墨烯在能源领域中的发展趋势石墨烯在能源领域中的应用正在不断拓展和深入。
未来几年里，石墨烯在以下几个方面会得到进一步发展：1. 石墨烯太阳能电池的商业化应用目前，石墨烯太阳能电池还未广泛商业化应用。
但是，石墨烯太阳能电池具有明显的优势：高效转换率、良好的耐候性及长寿命等，这使得它具有广泛的市场前景。
未来几年里，石墨烯太阳能电池的商业化应用将会逐步扩展。
2. 石墨烯锂离子电池的进一步提升现有的锂离子电池存在能量密度低、寿命短等缺陷，这限制了锂离子电池在电动汽车、便携式电子产品等领域的应用。
石墨烯作为锂离子电池的电极材料，可以解决这些问题。
未来几年，石墨烯锂离子电池的能量密度和循环寿命会继续提高，使得锂离子电池具有更广泛的应用前景。
3. 石墨烯超级电容器的应用扩展超级电容器作为一种高性能储能设备，具有很强的市场需求。
石墨烯作为超级电容器的电极材料，可以大大提高电容量和充电速度。
石墨烯在太阳能电池中的应用
2.石墨烯应用于太阳能电池受体材料
石墨烯作为太阳能电池受体材料, 主要应用于OPSC中. OPSC 是一种混合异质结电池, 光照射OPSC中的电子给体材料产生 激子, 即电子空穴对, 激子会在给体与受体的交界面分离, 从 而使电子和空穴分别传导到两个电极上形成电流. 电子给体 材料的作用是产生电子空穴对, 目前一般采用共轭聚合物聚 3-己基噻吩或聚3-辛基噻吩.
③电子空穴对分离后, 空穴通过导电聚合物聚PEDOT:PSS传 输到正电极ITO/FTO表面. 空穴和电子分别被负极和正极收 集, 产生电势差, 实现光生伏特效应.
谢谢
石墨烯作为一种电性能可以和碳纳米管媲美且可通过功能 化改性的碳薄层材料, 可以替代有机聚合物电池中PCBM料
石墨烯应用于OPSC的工作原理.
①光入射到给体材料上, 给体材料P3HT/P3OT受光激发产生 电子空穴对, 即产生激子.
②电子空穴对迁移到给体材料与石墨烯受体材料的界面后, 电子转移到石墨烯受体材料的LUMO能级, 空穴保留在给体 材料的HOMO能级上, 从而实现电子和空穴对分离. 电子在 石墨烯受体材料中迁移, 最终传导到Al负极上.
1.石墨烯应用于太阳能电池透光电极材料
石墨烯作为一种超薄、透光性良好且电性能优异的 导体材料, 成为金属氧化物电极比较好的替代材料. 目前已有关于石墨烯作为透光导电极替代物的研究, 用于替代DSSC光阳极的透光ITO/FTO, 对电极镀铂 ITO/FTO, 以及有机聚合物太阳能电池透光电极 ITO/FTO等.
石墨烯应用于太阳能电池
1石墨烯应用于太阳能电池透光电极材料 2石墨烯应用于太阳能电池受体材料
1.石墨烯应用于太阳能电池透光电极材料
目前应用于透光电极的材料为金属氧化物, 如氧化 铟锡(indium tin oxide, ITO)、氧化氟锡(fluorine tin oxide, FTO), 俗称导电玻璃. 虽然导电玻璃广泛应用 于太阳能电池领域, 但导电玻璃有一些缺点, 如ITO 里的金属离子容易自发扩散, 导电玻璃对红外光谱 有较强的吸收性以及导电玻璃较差的热稳定性. 另 外, 导电玻璃在作为太阳能电池对电极的时候, 需在 其表面镀一层铂, 来增强其导电性, 这大大增加了制 备成本.
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研究生课程考试成绩单（试卷封面）任课教师签名：日期：注：1. 以论文或大作业为考核方式的课程必须填此表，综合考试可不填。
“简要评语”栏缺填无效。
2. 任课教师填写后与试卷一起送院系研究生秘书处。
3. 学位课总评成绩以百分制计分。
东南大学研究生课程论文功能高分子化学题目：石墨烯功能化及其在太阳能电池中的应用院（系）：化学化工学院专业：化学姓名：田佳卉学号： 220152318 指导教师：林保平教授东南大学化学化工学院2015年12月石墨烯功能化及其在太阳能电池中的应用田佳卉220152318（东南大学化学化工学院）摘要作为世界上最薄的二维材料，石墨烯材料表现出独特的光学、电学和力学性质，这些性质使得它在聚合物太阳能电池的电极界面修饰领域有着非常强大的应用潜力。
本文介绍了石墨烯的结构、性质及功能化修饰方法，包括共价键修饰和非共价键修饰，并阐述了近年来石墨烯应用于太阳能电池领域的发展现状，包括石墨烯应用于太阳能电池透光电极以及电池中电子受体材料等方面。
关键词石墨烯聚合物共价键功能化非共价键功能化太阳能电池Functionalization and Applications ofGraphene-based Materials in Solar CellsTian Jiahui220152318（School of Chemistry and Chemical Engineering, Southeast University.）Abstract The research of graphene develops dramatically in diverse fields, such as materials, physics, chemistry, biology and so on. Functionalized graphene has attracted tremendous attention as a kind of potential carbon nanomaterial. Recent progresses in non-covalent bond and covalent bond functionalized graphene are summaried based on the research progress at home and abroad．Interests in graphene applications in solar cells have been motivated to meet the demand of improving the photovoltaic performance. Graphene applications in solar cells, such as graphene based transparent conducting electrodes and accepter materials, are reviewed systematically.Key words graphene polymer functionalization solar cells1 前言自2004年英国曼彻斯特大学Geim研究小组首次制备出稳定的石墨烯以来，有关石墨烯的制备及应用得到广泛关注及研究。
石墨烯具有优异的力学、光学、热学和电学等性能，在诸多领域应用广泛[1]。
1.1 石墨烯的结构石墨稀(Graphene)是一种由sp2杂化碳原子组成的六角蜂窝状晶格的单原子厚度的二维平面材料。
每个碳原子以三个sp2杂化轨道与相邻的三个碳原子形成三个π键，剩下的一个未成键π电子和相邻的其它碳原子一起形成大π共辄体系。
因此，由于C-C键极强的键能使得石墨稀成为世界上机械强度最高的材料；而体系中的π电子能够在整个结构中自由运动，又使得石墨稀具有优异的电学性能[2]。
从化学结构来说，石墨稀是构成碳族其它几种同素异形体的基本组件。
如图1所示，将二维的石墨稀片多层堆叠起来可构成三维的石墨，石墨稀卷曲闭合成环可构成一维的碳纳米管，具有一定边缘形状的石墨稀包裹闭合可构成零维的富勒稀石墨稀和其他的这几种同素异形体，在化学结构上都是由sp2杂化碳原子组成，是具有很大的π共辄体系的芳香化合物。
然而，这几种同素异形体与石墨稀相比，没有一种材料能够像石墨稀一样，同时具备超高的迁移率、稳定的狄拉克电子结构、显著的室温霍尔效应、极高的热导率和机械强度等很多优异的物理性质。
图1 石墨烯是其它同素异形体的基本构筑单元[2]1.2石墨烯的性质墨稀的特殊结构决定了其独特的性质。
从分子角度上考虑，石墨稀碳原子的很多性质与苯环碳原子的相似，然而由于石墨稀是由无数个六元环组成的，其边缘氧原子的贡献远小于苯环上的氧，因此它的很多性质又不同于苯环。
从宏观角度考虑，石墨炼即单层石墨，它的边缘性质与石墨有一定相似之处，因此它又具有部分石墨或稠环芳烃的化学性质。
除此之外，石墨稀的C-C骨架上下分布丰富的电子云，很容易使其进行π-π堆积，形成多层的石墨结构，从而获得很多优异的物理性质。
正因为石墨烯这些优异的性能，其发现者英国科学家Geim和Novoselov荣获了2010年诺贝尔物理学奖，并引起了全世界科学家的极大关注。
作为非金属材料，石墨稀具有很好的导电性。
从石墨稀的结构可知，每个碳原子都有一个未成对的π电子，它与周围的原子可以形成大π共轭体系，从而π电子可以在整个体系中自由运动，获得优异的导电性。
石墨烯的室温电阻率为10-6Ω·cm，它成为目前己知材料中室温电阻率最低的材料。
另一方面，由于电子的质量为零，因此石墨稀的导电性是恒定的，它与石墨稀中的电子个数无关[3]。
根据理论计算，石墨烯具有优异的光学性质。
石墨稀发现者Geim等人在实验中测得单层石墨烯对可见光的吸收仅为2.3%，即其透光率高达97.7%；并且随着石墨稀层数的增加，透光率呈线性关系递减。
石墨稀的热导效应在高温时是由光子传导的，在低温时主要由其中的弹道传输所决定。
实验发现，室温下石墨烯的热导率为(4.84±0.44)×l03~(5.30±0.48)×103 W·m-1K-1，而Berber预测的石墨稀室温理论热导率为6000W·m-1K-1以上。
事实上，碳的几种同素异形体的热导率都很高，而石墨稀的热导率则是目前已知材料中最高的。
因此，石墨稀优异的热导性能使得它在许多微热电器件等领域有非常重大的应用前景[4]。
2 石墨烯的功能化改性处理2.1石墨烯的非共价键功能化石墨烯的非共价键功能化主要是利用石墨烯片层与功能分子之间的范德华力、静电力等的作用，制备出具有某种特定功能的石墨烯基复合材料。
此种功能化方法的优点是，对石墨烯的结构破坏相对较小，在提高石墨烯分散性的同时保持了石墨烯的本体性能，并且制备的反应条件温和，操作相对简单。
非共价键功能化根据反应作用键的类型不同又细分为π-π功能化、离子键功能化、氢键功能化等。
2.1.1 π-π功能化石墨烯中的碳原子通过sp2杂化形成高度离域的π电子，这些π电子与其它具有大π共轭结构物质可通过π-π相互作用相结合，使石墨烯实现良好的分散。
此方法在石墨烯的非共价键功能化中应用最为普遍。
根据修饰物质的不同可分为有机小分子功能化、聚合物功能化、生物分子功能化、碳纳米管功能化等。
Yang等［5］采用原位还原的方法制备了聚3-己基噻吩（P3HT）功能化的石墨烯材料，聚3-己基噻吩是一种具有很高电荷迁移率的导电聚合物，被广泛应用于电子器件中，石墨烯经过功能化后在四氯化碳有机溶剂中具有优异的溶解性；近年来，出现了利用高度活性试剂如甲亚胺叶立德、三甲基甲硅烷基叠氮化物生成的氮宾、芳炔等对石墨烯改性的方法，他们一般能与石墨烯发生开环反应，利用形成的多元环实现对石墨烯的接枝，Ma等［6］制备的功能化石墨烯在多种溶剂都有很好的溶解性，他们采用含有烯二炔分子的环化反应来制备共轭聚合物改性的石墨烯，改性后的石墨烯表面接枝了烯二炔环化产生的自由基，而石墨烯的结构没有受到明显破坏，这种石墨烯的性能没有大幅度降低而且具有良好的导电性；Jia等［7］利用π-π键作用将芘丁酸分子组装在石墨烯的表面，然后将具有双稳态结构的轮烷连接在其上，应用于具有可调控功能的光开关效应器件上有不错的效果；Xu等［8］采用超支化聚乙烯作为稳定剂，在氯仿和四氢呋喃中得到了无缺陷的石墨烯片层，这种片层为2~4 层，长0.2~0.5μm，在剥离的过程中，利用π-π作用和疏水性作用将超支化聚乙烯吸附在石墨烯上，提供空间位阻，减弱石墨烯片层的团聚，提高了石墨烯的热稳定性。
2.1.2 离子键功能化氧化石墨烯表面带有大量显负电的含氧官能团，如—COOH、—OH、—CHO等，使氧化石墨烯片层间存在静电斥力，进而稳定地分散在水中，因此也可以通过引入带电离子这种方式进行功能化。
Xu等［9］将3，4-乙烯二氧噻吩的单体在磺化的石墨烯溶液中原位聚合，制备出一种杂化的纳米复合材料，该复合材料不但在水和有机溶液中的溶解性明显提高，而且显示出优异的导电性和弹性、高的透光性和热稳定性；Shi 等［10］成功构建了三维石墨烯凝胶，他们通过引入金属离子的方法来改善石墨烯片层间的相互作用力，实现了氧化石墨烯的自组装，自组装后的石墨烯具有较为规则有序的三维孔结构，可以广泛应用于药物释放、能量储存等领域；Shao等［11］将介孔的三氧化二铝作为模板，利用三氧化二铝表面与氧化石墨烯表面的含氧官能团静电作用，实现了三氧化二铝上氧化石墨烯片层的自组装；Yang等［12］利用离子交换法将石墨烯的边缘部位交换成咪唑带有的乙烯基苄基，得到的功能化石墨烯平面带有电荷，然后将其与甲基丙烯酸甲酯聚合，制备了聚甲基丙烯酸甲酯/石墨烯复合材料，聚合提高了石墨烯的亲水性和分散度，功能化的石墨烯使该复合材料的玻璃化转变温度、电导率和储能模量得以显著提高。
2.1.3 氢键功能化与离子键功能化类似，氢键功能化主要也是利用氧化石墨烯表面的含氧官能团，如—COOH、—OH、—CHO等的极性，这些极性官能团容易与其他物质相互作用形成氢键，可以利用氢键对其进行功能化修饰。
Putz等［13］通过实验证实了聚乙烯醇、聚甲基丙烯酸甲酯能通过氢键的作用吸附在氧化石墨烯上，形成的功能化石墨烯具有较高的弹性模量和拉伸强度，且团聚现象减弱；Huang等［14］研究了利用氢键来制备三维自组装氧化石墨烯凝胶的方法，主要是通过氧化石墨烯上的含氧官能团与引入的具有亲水性的高分子，如血红蛋白、聚乙烯醇、聚乙烯亚胺等来调节石墨烯片层间的作用力；李晓等［15］利用简单的超声、振荡方法，在氧化石墨烯表面上负载了盐酸阿霉素，经过红外光谱及紫外-可见光谱分析发现，氧化石墨烯与盐酸阿霉素之间的作用为氢键，通过对不同酸碱度下药物释放量及氧化石墨烯的吸附作用的测试与分析发现，盐酸阿霉素在酸性条件下释放量最大，功能化石墨烯在生物医学方面有不错的前景；张龙姣等［16］首先制备了由弗朗尼克F127非共价功能化修饰的还原氧化石墨烯，弗朗尼克F127是高分子聚氧乙烯-聚氧丙烯-聚氧乙烯三嵌段共聚物，修饰后的石墨烯片层尺寸较未修饰的石墨烯没有明显差别，片层厚度和数目也没有受到较大影响，将该复合物对阿霉素进行负载，制备了新型的纳米载药体系，载药量达290%，生物利用率高。