石墨烯二维碳材料
石墨烯是世界上最薄的二维材料，它是由单层碳原子紧密排列而成，只有0.3354nm厚度。Sp2杂化的碳原子相连的单层碳原子形成的比表面积很高（2630m2/g）。石墨烯具有优异的光学、电学、力学特性，在材料学、微纳加工、能源、生物医学和药物传递等方面具有重要的应用前景，被认为是一种未来革命性的材料
石墨烯的性能
由于石墨烯的特殊的结构，也赋予了石墨烯以下特殊的性质：
(1)密度低、比表面积大。
由于石墨烯的特殊的二维结构，结构中的每个碳原子贡献到三个六元环中，相当于每个六元环仅为两个碳原子。Sp2杂化的碳原子相连的单层碳原子 形成的比表面积很高（2630m2/g），甚至比活性炭还要高出两倍多。
(2) 良好的光学性能。
由于石墨烯的厚度很小（约为 4 Å），所以石墨烯有着非常良好的透光性。研究表明，单层石墨烯与双层石墨烯之间的可见光透过率相差2.3%，因此只要测出石墨烯样品的透光率，即可估算出其层数。
(3)优异的导电性。
石墨烯所有的C原子均为Sp2杂化，相互之间形成大π键，π电子可以自由移动，这使石墨烯的电导率达到了106 s/m，此外，其电子迁移率可达2×105 cm2/(V•s)，约为硅的 140 倍。另外，石墨烯还具有半金属的特性，电子在其中传输显示出半整数量子霍效应和相对论粒子特性。
(4)优良的力学性能。
理想石墨烯的强度可达同等厚度钢的 100 倍。
(5)特殊的热学性能。
石墨烯在室温下的热导率约为 5×103 W/m•K，是相同条件下铜的 10 倍多。
石墨烯的制备方法
目前，石墨烯的制备方法主要有下列几种：
(1) 机械剥离法( Mechanical cleavage)
机械剥离法是最简单最原始的制备方法，原理是以石墨晶体受到强烈的机械力作用，从而让石墨纳米片层或石墨烯从晶体中剥离出来。但是该方法产率较低，产物尺寸不易控制，而且难以大批量制备。
(2) 化学气相沉积法(Chemical vapor deposition)
在高温条件下，气体（如甲烷）或固体（如聚甲基丙烯酸甲酯）等碳源会发生分解或气化，然后在金属单晶或柔性薄膜等衬底上沉积从而形成单层或寡层石墨稀。CVD法制得的石墨烯样品性能好质量较佳，但工艺过程复杂，生产成本较高。
(3) 氧化石墨还原法
该方法主要采用强酸（如浓硫酸）或氧化性物质将石墨进行氧化处理生成氧化石墨,再经过超声分散制备成氧化石墨烯（单层氧化石墨），加入还原剂去除表面的含氧基团,从而制得石墨烯。然而，使用强酸反应后。会让该产品出现许多晶格缺陷，导致一些物理和化学性质的变化，如导电性降低。
石墨烯的应用
(1) 生物传感器。
由于石墨烯的特殊的二维结构，以及良好的化学稳定性，使其具有很好的生物兼容性，此外，它还能与生物分子、高分子及有机药物分子通过共价键以及非共价键结合，增加酶的负载量，能够为酶提供一个良好的微环境。利用石墨烯复合不同种类的纳米材料，可提高生物传感器的选择性和灵敏度。
(2) 锂离子电池负极材料。
石墨烯具有非常优异的电子导电性和导热性，前者保证了材料具有良好的电子传输通道，而后者确保了材料的稳定性；同时用于电极的石墨烯材料的二维尺寸可达纳米级别，使得锂离子在其中的迁移距离非常短，有助于提高电池的功率性能，与传统的负极材料相比，复合石墨烯负极材料具有更高的储锂容量，循环性能也更优异。金属、金属盐或金属氧化物负载在石墨烯的表面，一定程度上会增加其比容量和循环性能。
(3) 催化剂。
利用石墨烯的高比表面积以及优良的导电性，均匀地将 Pt、Pd 等燃料电池催化剂负载在表面，可有效的提高催化活性，降低贵金属的用量，同时还能提高催化剂的寿命。
(4) 电磁屏蔽材料。
石墨烯的密度小、比表面积大、良好的导电性和介电常数高，电磁场中外电子容易极化弛豫使电磁波的衰减，所以在电磁屏蔽材料领域中石墨烯具有很高的研究价值。将其与其他材料复合可以制备密度小、可加工性好的新型微波吸收材料。
(5) 超级电容器。
因为石墨稀的二维片层结构不仅具有很大的理论比表面积,而且它与传统活性碳等碳材料相比，电解液离子更容易与石墨稀接触并吸附在其表面上, 离子扩散速度更快，可以实现电子元件的快速大功率充放电。因此可以说,石墨稀是非常理想的超级电容器电极材料。石墨烯必将在不久的将来被更广泛的应用到各领域中。
