石墨烯和氧化石墨烯的结构分析

石墨烯是一种由碳原子按照蜂巢状晶体紧密堆积成的具有二维结构的新型纳米材料。从微观角度来看，石墨烯是一种类似纸张薄层的单分子石墨烯片，其结构类似于单原子层的石墨。其中，碳原子以sp²杂化形式与其他碳原子相连，形成类似苯的六元环结构（见图1-1），每个碳原子都提供一个电子，从而组成一个超大的π键。石墨烯是目前发现的最薄的二维纳米材料，仅为单原子厚度，为0.35nm。

图1-1 石墨烯结构示意图

我们可以把石墨烯看成其他碳的同素异形体的基本元素。可以将石墨烯想象为一张纸，那么富勒烯C₆₀这样的球体就是将石墨烯包卷成的球状物体，碳纳米管（CNTs）这样的直筒形物体就是将石墨烯严密无缝地卷成的纸筒，三维的石墨（Graphite）就是将石墨烯堆叠起来，像一本书一样。科学界关于石墨烯的基础理论研究已长达60多年，但是石墨烯是在2004年才第一次被人们从石墨层中剥离出来，获得独立存在的单层或多层石墨烯。(www.xing528.com)

我们可以从图1-1观察到，石墨烯指的是从石墨中分离出来的单层片状二维物质，其厚度也只有一个碳原子的厚度，是由碳原子在平面中以sp²的杂化轨道紧密排列形成的蜂巢状的晶体结构。石墨烯中的碳-碳键长度约为0.142nm，并且石墨烯的单层厚度仅为0.35nm，约为头发丝的二十万分之一。这么微小的尺寸给人们对其进行表征造成了许多的麻烦。人们利用扫描电镜、高倍电子透视镜、原子力显微镜和拉曼光谱先后对石墨烯进行了表征，欲测量出石墨烯层的厚度。从图1-1可以看到，石墨烯的环状结构有点类似苯环的结构，同样是非常稳定的六元环结构。石墨烯中每个碳原子中都有一个电子用来和其他的电子形成一个离域大π键，所以石墨烯表面的电子能够自由移动，这就使石墨烯具有超强的导电性能。这个离域大π键也可以使石墨烯与其他物质形成π-π共轭的石墨烯/聚合物等新材料。从这方面我们可以看出，石墨烯这些新颖的、优异的物理化学性能就起源于石墨烯的微观结构，而且石墨烯的物理结构非常稳定。从微观上来说，石墨烯的碳—碳键强度很大，形成的六元环很稳定，这就造成了石墨烯层的稳定程度很高，能够有效地抵御外力作用。氧化石墨烯结构示意图如图1-2所示。

图1-2 氧化石墨烯结构示意图