本書從簡要介紹石墨烯的性質(zhì)與制備開始，進而詳述石墨烯宏觀組裝的概念、原理及方法。本書以宏觀組裝材料的維度分類，綜述了石墨烯纖維、石墨烯膜及石墨烯三維組裝體的研究歷程與進展，并進一步分析其結(jié)構(gòu)與性能的基本關(guān)系。本書同時著力于石墨烯宏觀組裝材料的應用，從力學、熱學、儲能、環(huán)境凈化、光熱與光電、電磁屏蔽與吸波、催化等方面展開論述，逐步形成石墨烯宏觀組裝材料應用的索引地圖。本書適用于從事石墨烯宏觀組裝材料領(lǐng)域研究工作的工程技術(shù)人員，以及科研院所和大中專高校相關(guān)專業(yè)的學生和科研人員。
石墨烯是碳的同素異形體大家族的又一個傳奇，也是當今橫跨學術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的超級明星，幾乎到了家喻戶曉、婦孺皆知的程度。當然，石墨烯是當之無愧的。作為由單層碳原子構(gòu)成的蜂窩狀二維原子晶體材料，石墨烯擁有無與倫比的特性。理論上講，它是導電性和導熱性較好的材料，也是理想的輕質(zhì)高強材料。正因如此，一經(jīng)問世便吸引了全球范圍的關(guān)注。石墨烯有可能創(chuàng)造一個全新的產(chǎn)業(yè)，石墨烯產(chǎn)業(yè)將成為未來全球高科技產(chǎn)業(yè)競爭的高地，這一點已經(jīng)成為國內(nèi)外學術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的共識。從2004年至今，已經(jīng)有了近十六年的歷史沉淀。無論是石墨烯的基礎(chǔ)研究，還是石墨烯材料的產(chǎn)業(yè)化實踐，人們都有了更多的一手材料，更有可能對石墨烯材料有一個全方位套叢書出的、科學的、理性的認識�？偨Y(jié)歷史，是為了更好地走向未來。對于新興的石墨烯產(chǎn)業(yè)來說，戰(zhàn)略前沿新材料石墨烯出版工程的出版意義也是不言而喻的。事實上，國內(nèi)外已經(jīng)出版了數(shù)十部石墨烯相關(guān)書籍，其中不乏經(jīng)典性著作。本叢書的定位有所不同，希望能夠全面總結(jié)石墨烯相關(guān)的知識積累，反映石墨烯領(lǐng)域的國內(nèi)外前沿研究進展，展示石墨烯新材料的產(chǎn)業(yè)化現(xiàn)狀與發(fā)展前景，尤其希望能夠充分體現(xiàn)國人對石墨烯領(lǐng)域的貢獻。本叢書共包括22分冊，執(zhí)筆作者20余位，都是石墨烯領(lǐng)域的重量級學者、專家，因此可以從源頭上保障叢書的專業(yè)性和科學性。叢書分五大部分，囊括了從石墨烯的基本性質(zhì)和表征技術(shù)，到石墨烯材料的制備方法及其在不同領(lǐng)域的應用，以及石墨烯產(chǎn)品的計量檢測標準等全方位的知識總結(jié)。同時，兩份產(chǎn)業(yè)研究報告詳細闡述了世界各國的石墨烯產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀和未來發(fā)展趨勢。除此之外，叢書還為廣大石墨烯迷們提供了一份科普讀物《有問必答：石墨烯的魅力》，針對廣泛征集到的石墨烯相關(guān)問題答疑解惑，去偽求真。本叢書的內(nèi)容涵蓋石墨烯新材料的方方面面，每個分冊也相對獨立，具有很強的系統(tǒng)性、知識性、專業(yè)性和即時性，凝聚著各位作者的研究心得、智慧和心血，供不同需求的廣大讀者參考使用。希望叢書的出版對中國的石墨烯研究和中國石墨烯產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展有所助益。1. 戰(zhàn)略前沿新材料石墨烯出版工程 十三五國家重點出版物出版規(guī)劃項目/國家出版基金叢書由石墨烯的基本性質(zhì)與表征技術(shù)、石墨烯的制備技術(shù)和計量標準、石墨烯的分類應用、石墨烯的發(fā)展現(xiàn)狀報告、石墨烯科普知識等五大部分共22分冊構(gòu)成，本書為14分冊。2. 叢書由我國石墨烯研究領(lǐng)域的主要開拓者及我國石墨烯發(fā)展的重要推動者、北京大學教授、北京石墨烯研究院創(chuàng)院院長劉忠范院士親自策劃并擔任總主編。3.全書采用80克雅質(zhì)紙，彩色印刷，清晰直觀地展現(xiàn)了石墨烯的結(jié)構(gòu)、模擬及表征結(jié)果。
一尺之捶，日取其半，萬世不竭�！肚f子·天下》中這一簡單樸素的原子觀在石墨烯的發(fā)現(xiàn)歷程中體現(xiàn)得淋漓盡致。石墨晶體在有限次數(shù)的一分為二中會被剝離至單層。2004年，安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫就極富洞見地用簡單直接的膠帶剝離法制備了單層石墨烯。自此，石墨烯打開了人類了解二維世界的大門。石墨烯的發(fā)現(xiàn)和研究不僅推進了人們對二維介觀物理的認知，而且?guī)砹艘环N功能強大的二維材料基因，給材料的制備與應用帶來了無限可能。石墨烯是碳材料的基本單元，具有眾多優(yōu)越的力學、電學、熱學、光學等性質(zhì)�？梢杂墒┳韵露系鼐_設(shè)計、組裝、構(gòu)筑所需要的多級結(jié)構(gòu)和多維度材料，在此思路指引下，石墨烯宏觀組裝材料領(lǐng)域近年來取得了眾多令人刮目相看的進展。新的石墨烯宏觀組裝材料種類不斷被發(fā)掘，如石墨烯膜、石墨烯纖維、石墨烯氣凝膠等。同時，石墨烯的應用也逐步延伸至各個領(lǐng)域，從高性能材料、透明電極到能源電池、環(huán)境保護、生物醫(yī)用等。石墨烯宏觀組裝材料已逐漸發(fā)展成為覆蓋國計民生多個領(lǐng)域的材料門類，其重要性越發(fā)凸顯出來。本書從簡要介紹石墨烯的性質(zhì)與制備開始，進而詳述石墨烯宏觀組裝的概念、原理及方法。本書以宏觀組裝材料的維度分類，綜述石墨烯纖維、石墨烯膜及石墨烯三維組裝體的研究歷程與進展，并進一步分析其結(jié)構(gòu)與性能的基本關(guān)系。本書同時著力于石墨烯宏觀組裝材料的應用，從力學、熱學、儲能、環(huán)境凈化、光熱與光電、電磁屏蔽與吸波、催化等方面展開論述，逐步形成石墨烯宏觀組裝材料應用的索引地圖。本書增加了緒論和跋，表達了作者對石墨烯產(chǎn)業(yè)化及創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)的觀點和希冀，望對石墨烯人和青少年朋友們都有所啟發(fā)和裨益。隨著越來越多的石墨烯宏觀組裝材料研究成果走出實驗室，石墨烯材料產(chǎn)業(yè)化如火如荼。產(chǎn)業(yè)界及社會大眾對石墨烯材料的知識需求愈發(fā)強烈。本書將與戰(zhàn)略前沿新材料石墨烯出版工程的系列優(yōu)秀作品一起，普及石墨烯的基本知識，促進大家對石墨烯材料的科學認識，助推石墨烯的基礎(chǔ)研究和產(chǎn)業(yè)發(fā)展。為簡潔起見，本書書名定為《石墨烯宏觀材料及應用》，其中的宏觀材料即指宏觀組裝材料，而由化學氣相沉積法等制備的宏觀大面積膜材料不在本書討論范圍內(nèi)。感謝國家自然科學基金委員會、國家重大科學研究計劃等對石墨烯宏觀組裝方向的大力支持！感謝浙江大學高分子科學與工程學系納米高分子團隊的小伙伴們在該領(lǐng)域十多年的堅持與付出！感謝本書編撰過程中納米高分子課題組的高微微、楊敏誠、、暢丹、姜炎秋、姚偉泉、郭凡、王佳慶、徐晗彥、蔡盛贏、彭蠡、方文章、席嘉彬、沈穎、俞丹萍等給予的鼎力支持和幫助！石墨烯宏觀組裝研究日新月異，新發(fā)現(xiàn)、新方法、新技術(shù)不斷涌現(xiàn)，加之本書作者涉獵有限、經(jīng)驗不足，不妥之處在所難免，誠望讀者提出寶貴意見和建議，以便修訂完善。高 超2020年8月于浙江大學
高超，工學博士，浙江大學求是特聘教授，博士生導師。主要從事石墨烯化學與組裝等方面的研究。在Science, Sci. Adv.，Nat. Commun.，Adv. Mater.，Acc. Chem. Res.等期刊發(fā)表SCI收錄文章230余篇，他引16000余次。獲批基金委重大項目、重點項目，承擔軍科委、裝發(fā)等多家單位的重要科研項目。編著《石墨烯宏觀材料及應用》專著1本，共同主編Wiley出版的英文專著1本。授權(quán)中國發(fā)明專利近百項，授權(quán)美國專利1項，日本專利3項，歐洲專利1項，俄羅斯專利1項，完成78項中國發(fā)明專利權(quán)轉(zhuǎn)讓。擔任Advanced Fiber Materials、 Carbon Energy、Nano-Micro Lett.、《中國科學：化學》、《功能高分子學報》等期刊編委。獲得錢寶鈞纖維獎 青年學者、Gold Kangaroo World Innovation Award、第十二屆浙江省青年科技獎、浙江大學十大學術(shù)進展等榮譽。
緒論 石墨烯的詩與遠方
1章 石墨烯概述
1.1 石墨烯的結(jié)構(gòu)與性能
1.1.1 石墨烯的結(jié)構(gòu)
1.1.2石墨烯的力學性能
1.1.3石墨烯的電學性能
1.1.4石墨烯的光學性能
1.1.5石墨烯的熱學性能
1.1.6石墨烯的其他性能
1.2 石墨烯的制備
1.2.1機械剝離法
1.2.2電化學剝離法
1.2.3超聲輔助溶液剝離法
1.2.4外延生長法
1.2.5化學氣相沉積法
1.2.6氧化還原法
1.3 氧化石墨烯的結(jié)構(gòu)和性能
1.3.1氧化石墨烯的結(jié)構(gòu)
1.3.2氧化石墨烯的性能
1.4 氧化石墨烯的制備與還原
1.4.1氧化石墨烯的制備
1.4.2氧化石墨烯的還原
參考文獻
第2章 石墨烯宏觀組裝概述
2.1 宏觀組裝概念
2.2 宏觀組裝原理及方法
2.3 石墨烯宏觀組裝體概述
參考文獻
第3章 石墨烯纖維
3.1 石墨烯纖維概述
3.2 石墨烯纖維的制備方法
3.2.1 液晶濕法紡絲
3.2.2 其他制備方法
3.2.3 石墨烯纖維制備方法的發(fā)展趨勢
3.3 石墨烯纖維的高性能化與功能化
3.3.1 高強度石墨烯纖維
3.3.2 高導電石墨烯纖維
3.3.3 高導熱石墨烯纖維
3.4 石墨烯纖維的多功能化應用
3.4.1 纖維狀超級電容器
3.4.2 纖維狀電池
3.4.3 智能驅(qū)動器
3.4.4 多功能織物
3.5 石墨烯復合纖維
3.5.1 高分子-石墨烯纖維
3.5.2 金屬-石墨烯纖維
3.5.3 無機非金屬-石墨烯纖維
參考文獻
第4章 石墨烯膜
4.1 石墨烯膜的制備方法
4.1.1 抽濾誘導自組裝法
4.1.2 刮涂法
4.1.3 紡膜法
4.1.4 噴涂法
4.1.5 其他方法
4.2 石墨烯膜的結(jié)構(gòu)與性能調(diào)控
4.2.1 邊緣缺陷優(yōu)化
4.2.2內(nèi)部結(jié)構(gòu)缺陷優(yōu)化
4.2.3 壓力對石墨烯膜結(jié)構(gòu)的調(diào)控
4.3二維石墨烯膜的應用
4.3.1 結(jié)構(gòu)材料
4.3.2 儲能材料
4.3.3 導熱散熱材料
4.3.4 透明電極
4.3.5 吸波和電磁屏蔽
4.3.6 分離膜材料
4.3.7 催化膜材料
4.4 總結(jié)
參考文獻
第5章 石墨烯宏觀三維材料
5.1 石墨烯氣凝膠
5.1.1 干法組裝
5.1.2 濕法組裝
5.1.3應用
5.2 石墨烯水凝膠
5.3 石墨烯塊體材料
參考文獻
第6章 石墨烯宏觀材料力學性能及應用
6.1力學結(jié)構(gòu)材料
6.1.1石墨烯基力學結(jié)構(gòu)材料
6.1.2石墨烯結(jié)構(gòu)增強復合材料
6.2彈性材料
6.2.1引入熵彈性
6.2.2構(gòu)筑微結(jié)構(gòu)
6.3 總結(jié)
參考文獻
第7章 石墨烯宏觀材料的導熱性能
7.1石墨烯宏觀材料的結(jié)構(gòu)與導熱性能的關(guān)系
7.2石墨烯導熱的影響因素
7.2.1尺寸依賴性
7.2.2缺陷依賴性
7.2.3 取向依賴性
7.2.4溫度依賴性
7.2.5界面依賴性
7.2.6層數(shù)依賴性
7.27應力依賴性
7.3 石墨烯宏觀材料的熱導率
7.3.1 石墨烯纖維
7.3.2 石墨烯膜
7.3.3 石墨烯氣凝膠
參考文獻
第8章 石墨烯宏觀材料在電池領(lǐng)域的應用
8.1石墨烯在鋰離子電池中的應用
8.1.1鋰離子電池簡介
8.1.2鋰離子電池負極材料
8.1.3 石墨烯用作負極活性物質(zhì)
8.1.4 石墨烯基負極復合材料
8.1.5石墨烯在鋰離子電池正極中的應用
8.1.6石墨烯在鋰離子電池負極中的應用
8.1.7石墨烯在鋰離子電池其他部分的應用
8.2石墨烯在鋰硫電池中的應用
8.2.1鋰硫電池的機理
8.2.2鋰硫電池的發(fā)展歷程
8.2.3鋰硫電池的研究進展
8.2.4傳統(tǒng)碳材料與硫復合
8.2.5硫-石墨烯復合材料
8.3鋁離子電池
8.3.1鋁離子電池的發(fā)展
8.3.2水系鋁離子電池
8.3.3水系鋁-空氣電池
8.3.4非水系鋁離子電池中的離子液體
8.3.5鋁-石墨烯電池
8.3.6鋁-硫電池
參考文獻
第9章 石墨烯宏觀材料在超級電容器領(lǐng)域的應用
9.1 超級電容器簡介
9.2 用于超級電容器的石墨烯結(jié)構(gòu)特征
9.2.1 石墨烯層間距的影響與控制
9.2.2 石墨烯的邊緣與缺陷
9.3 一維石墨烯基電極材料
9.4 二維石墨烯基電極材料
9.5 三維石墨烯基電極材料
9.6 石墨烯基超級電容器的發(fā)展趨勢
參考文獻
10章 石墨烯宏觀材料在環(huán)境凈化領(lǐng)域的應用
10.1 石墨烯分離膜材料
10.1.1 單層完美石墨烯膜
10.1.2 單層多孔石墨烯膜
10.1.3 多層石墨烯膜
10.1.4 石墨烯分離膜的總結(jié)與展望
10.2 石墨烯吸附材料
10.2.1 有機染料的吸附
10.2.2 油性有機液體的吸附
10.2.3 重金屬離子的吸附
10.2.4 空氣污染物的吸附
參考文獻
11章 石墨烯宏觀材料在光熱及光電領(lǐng)域的應用
11.1 光熱海水淡化
11.1.1 石墨烯材料
11.1.2 石墨烯基復合材料
11.2 光電探測
11.2.1 石墨烯基光電探測器設(shè)計
11.2.2 石墨烯官能化
11.2.3 石墨烯雜化材料
11.3 太陽能電池
11.3.1 石墨烯電極
11.3.2 石墨烯對電極
11.3.3 石墨烯電子/空穴傳輸層
11.3.4 石墨烯肖特基結(jié)
參考文獻
12章 石墨烯宏觀材料的其他應用
12.1 石墨烯電磁屏蔽與吸波
12.1.1電磁屏蔽及吸波機理
12.1.2石墨烯電磁屏蔽及吸波材料
12.2石墨烯基催化化學
12.2.1 石墨烯催化
12.2.2 氧化石墨烯催化
12.2.3 還原氧化石墨烯催化
12.2.4 摻雜石墨烯催化
12.2.5 功能化氧化石墨烯催化
參考文獻
索引
跋 石墨烯與創(chuàng)新賦
書單推薦
