碳广泛存在，有许多同素异形体。通常认为石墨是由碳原子的二维网状平面有序堆积而成的晶体，其单层网状平面晶体在自然界中不可能单独稳定存在。然而，早在1988年，日本东北大学的一位教授就以蒙脱土为模板，以丙烯腈为原料，在模板的二维层间制备了石墨烯片层结构。但当模板被去除后，石墨烯片层结构无法单独存在，很快生成三维石墨体。

然后在2004年，英国科学家通过机械剥离成功剥离了石墨片层，获得了碳原子sp2杂化连接的单层石墨片层。这种稳定的二维单原子厚碳原子晶体& mdash& mdash游离石墨烯的基本单元结构是结构最稳定的六元环，它的发现丰富了碳元素家族。可作为零维富勒烯、一维碳纳米管(尤其是单壁碳纳米管)、三维金刚石和石墨的基本结构单元，是目前较为理想的二维纳米材料。结构如图1所示。

与富勒烯和碳纳米管相比，石墨烯具有价格低廉、原料易得、重量轻、理想比表面积大(2630 m2/g)、热导率好[3000 W/(m & middot；K)]，拉伸模量和极限强度与单壁碳纳米管相当。同时，由于维度不同，石墨烯还具有自己独特的性质，如手征载流子、量子隧穿效应、非零电导率、二维零静态狄拉克费米子系统、高迁移速度的双极电流、安德森局域化弱化现象、半整数量子霍尔效应、双层石墨烯场效应等。有望成为纳米复合材料的优质基体或填充材料，引起国内外二维碳材料的关注。

1.石墨烯的制备

近年来，许多科学家致力于探索单层石墨烯的制备方法，特别是制备高质量、高产率、低成本、结构稳定的石墨烯。目前，制备石墨烯的方法主要有以下几种:

①剥离法，包括微机械剥离法和溶剂剥离法等。

②生长方法，包括晶体外延生长、定向外延、化学气相沉积等。

③氧化还原石墨法，包括常用的Hummers法、Standenmaier法、Brodie法等。

④其他方法主要有电弧放电法、石墨层间化学通路法、高温淬火法、碳纳米管剥离法，这些方法目前都很新颖。

二。石墨烯基纳米复合材料的主要掺杂方法

石墨烯具有较大的比表面积和独特的电子迁移特性，是基质载体的理想材料。石墨烯可以通过掺杂进行化学修饰，从而增强其物理化学性能。主要掺杂方式:元素掺杂、氧化物掺杂、碳质材料掺杂等。

2.1元素掺杂方法

元素掺杂可以对石墨烯进行化学修饰，增强其理化性能。在半导体材料的应用中，这是一种非常有效的方法，在新兴的催化剂领域也有广泛的应用。元素掺杂包括非金属元素掺杂和金属元素掺杂。

非金属元素的掺杂方法

非金属元素掺杂，顾名思义就是非金属元素的纳米颗粒掺杂在石墨烯上，即这种元素取代了碳原子的位置，在石墨烯上属于代位杂质，形成电子转移或电子空空穴。

美国斯坦福大学王等利用高强度电子焦耳热加热氨水，使石墨烯与氨气发生电热反应，制备出N型N掺杂石墨烯纳米复合材料。一般石墨烯容易掺杂形成p型(空空穴传导)半导体材料。在实际应用中，经常需要n型(电子传导)掺杂半导体。

金属元素掺杂方法

金属掺杂是金属纳米颗粒的掺杂。石墨烯具有上下两面的比表面积，作为支撑载体，可用于金属纳米粒子反复嵌入和脱嵌的结构应变，可表现出良好的循环性能。同时，金属纳米粒子还具有较大的比表面积和较强的催化性能。因此，这种掺杂方法可以明显增加所制备的纳米复合材料的比表面积，更有利于电子迁移或储能，储氢量空的扩大和催化活性的增强。

Kou等人利用氧化石墨热膨胀制备功能化石墨烯片，使用Pt的前驱体H2PtCl6 & middot通过xH2O处理获得平均直径约为2 nm的Pt催化剂纳米颗粒。通过浸渍法将Pt纳米颗粒均匀地掺杂在功能化石墨烯片上，得到功能化石墨烯片-Pt纳米颗粒复合材料，该纳米材料比普通商用催化剂具有更大的比表面积、更好的氧化还原性能和更稳定、更好的催化性能。

Chao等人采用溶液混合法制备了Au、Pt、Pd和石墨烯掺杂的纳米复合材料。这些贵金属(金、铂、钯)的前体(HAuCl4 & middot3H2O、K2PtCl4、K2PdCl4)水溶液和乙二醇都加入到超声氧化石墨水溶液中，最终得到金属颗粒掺杂的石墨烯纳米复合材料。

2.1.3复合掺杂法

石墨烯通常由氧化石墨制成。氧化石墨具有准二维层状结构，富含极性含氧官能团。易于与纳米氧化物或其他具有高表面活性的化合物结合，可以制备化合物掺杂的氧化石墨烯(GO)复合材料。

陈等采用调节溶液pH值、反应温度等的液体插入法，通过金属阳离子及其配位离子对氧化石墨烯层间活性基团的静电吸附，成功制备了针状二氧化锰掺杂石墨烯插层纳米复合材料。纳米复合材料的电化学性能有了很大的提高。随着MnO2掺杂量的不同，电容也不同。GO可以提高MnO2的分散性，其协同效应可以在一定程度上提高电化学性能。

曹等。采用溶剂热法，以既是溶剂又是还原剂的二甲基亚砜为溶剂，还原氧化石墨烯，合成纳米CdS掺杂石墨烯复合材料。CdS在石墨烯表面分散性好，粒径小。

2.1.4碳质材料的掺杂方法

实验表明，石墨烯是一种很好的超级电容器用碳材料，理论比表面积很大。但干燥后，层间水和其他溶剂会流失，导致层间分层、结块。

为了解决干燥石墨烯的分层和团聚，在石墨烯层间掺杂碳纳米管，即碳纳米管上的官能团相互反应，使碳纳米管接枝在石墨烯表面，石墨烯层间相互分离，从而提高干燥石墨烯的比表面积。

Dimitrakakis等人设计了掺杂石墨烯和碳纳米管的复合结构，通过蒙特卡罗方法计算，该结构的储氢量仅略低于美国能源部标准的45 g/L，同时，研究石墨烯的储氢性能对揭示氢在其表面的吸附形式具有重要意义。

葛世斌以肼为还原剂还原氧化石墨水溶液，成功将碳纳米管插层到石墨烯层中，制备出碳纳米管/石墨烯纳米复合材料，将其制成电极片，测试其电容性能。

三。结论。

石墨烯从一个新生儿迅速成为科学界的新宠，其优异的性能逐渐被发现，应用领域不断被开发。通过这些掺杂方法制备的纳米复合材料应用广泛，主要在超级电容器、传感器、储氢和生物医学领域。

然而，石墨烯的发展也存在一些问题，例如，如何大规模制备高质量的石墨烯，使其不会产生更多的褶皱，以及如何保持其稳定的分散性，使其在层间剥离后不会重新堆叠成多层石墨烯片或还原回石墨。此外，一些石墨烯的其他性质尚不清楚，如磁性和光学性质。因此，今后应努力探索石墨烯与其他学科的交叉，探索石墨烯的功能化以及其他一些新的性质。

摘自:化学工业的进展

作者:张子平，刘秀军，李同启，胡子军