1.石墨烯是潛力巨大的“新材料之王”，擁有極高的電導率和熱導率，以及輕質(zhì)高強、柔性、透明等極其優(yōu)越的性能，在電子信息、光通信、能源、生物醫藥、節能環(huán)保、航空航天、國防軍工等廣闊的領(lǐng)域擁有極為誘人的應用前景。 2.劉忠范：中國科學(xué)院院士、發(fā)展中國家科學(xué)院院士、北京大學(xué)博雅講席教授、中國化學(xué)會(huì )副理事長(cháng)、中國國際科技促進(jìn)會(huì )副會(huì )長(cháng)。全國政協(xié)常委、北京市政協(xié)副主席。主要從事納米碳材料、二維原子晶體材料和納米化學(xué)研究，發(fā)表學(xué)術(shù)論文700余篇，申請中國發(fā)明專(zhuān)利150余項。國家自然科學(xué)基金“石墨烯制備基礎科學(xué)中心”學(xué)術(shù)帶頭人，曾任國家攀登計劃（B）、973計劃、納米重大研究計劃項目首席科學(xué)家、國家自然科學(xué)基金“表界面納米工程學(xué)”創(chuàng )新研究群體學(xué)術(shù)帶頭人。

碳元素是自然界中分布最為廣泛的基礎元素之一。碳原子擁有四個(gè)價(jià)電子，原子之間可以以sp、sp2、sp3的雜化方式成鍵，形成多種多樣的同素異形體，例如：由sp2雜化碳原子構成的石墨，由sp3雜化碳原子構成的金剛石等。碳原子成鍵類(lèi)型的多樣性帶來(lái)了碳材料種類(lèi)的多樣性。碳材料作為人類(lèi)幾千年文明發(fā)展的重要見(jiàn)證者與參與者，在人類(lèi)的生產(chǎn)生活中發(fā)揮著(zhù)不可替代的作用。從舊石器時(shí)代的鉆木取火到青銅器時(shí)代的木炭冶金，從18世紀的工業(yè)革命到20世紀納米科技的崛起，碳材料不斷地為人類(lèi)社會(huì )的發(fā)展注入著(zhù)新的活力。
碳材料家族人丁興旺、成員眾多。傳統的碳材料包括：石墨、金剛石、活性炭等。伴隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，諸多新型碳材料逐漸走入人們的視野，例如：20世紀后葉被相繼發(fā)現的富勒烯、碳納米管，以及21世紀初發(fā)現的石墨烯等。石墨烯是碳材料家族的新星，一經(jīng)問(wèn)世便集萬(wàn)千寵愛(ài)于一身。當然，這也是實(shí)至名歸。作為新型碳材料的典型代表，石墨烯擁有其他材料無(wú)法企及的力學(xué)、熱學(xué)、光學(xué)、電學(xué)等諸多優(yōu)異的物理性質(zhì)。正因如此，石墨烯的兩位發(fā)現者安德烈?海姆與康斯坦丁?諾沃肖洛夫榮獲了2010年度諾貝爾物理學(xué)獎，幾乎創(chuàng  )造了從發(fā)現到獲獎的最快紀錄。
石墨烯材料有多種形態(tài)，這也是領(lǐng)域內對石墨烯材料分類(lèi)的重要依據。目前，最為典型的三類(lèi)石墨烯材料為：石墨烯粉體、石墨烯薄膜和石墨烯纖維。這些材料的微觀(guān)結構均為由碳原子構成的蜂窩狀六方點(diǎn)陣結構，但是由于石墨烯片層之間的連接、組裝或者堆積方式的不同，使得材料呈現出形態(tài)各異的宏觀(guān)結構。石墨烯材料也正是通過(guò)這些不同的宏觀(guān)結構傳遞出新奇多變的物理性質(zhì)，進(jìn)而在電子信息、能源、熱管理、生物醫療等諸多領(lǐng)域展現出廣闊的應用前景。
材料的制備方法決定了材料的結構與性能，進(jìn)而決定了材料的應用領(lǐng)域與應用價(jià)值。不同種類(lèi)的石墨烯材料所需的制備方法也不盡相同，例如：目前制備石墨烯粉體材料常用的方法是“自上而下”的氧化還原法和液相剝離法，制備石墨烯纖維材料的常用方法是以氧化石墨烯為基元的濕法紡絲法，制備石墨烯薄膜的主要方法是以碳氫化合物為前驅體的“自下而上”的化學(xué)氣相沉積法。因此，在石墨烯材料制備方面，需要針對不同的石墨烯材料種類(lèi)“量體裁衣”，發(fā)展極具針對性的制備方法。
對任何一類(lèi)石墨烯材料而言，對于“高性能”的追求是一個(gè)永恒的主題。高性能石墨烯材料的制備需要從基本制備方法與原理、制備裝備與工藝等多個(gè)角度進(jìn)行全方位的創(chuàng  )新與優(yōu)化。以石墨烯薄膜材料為例，經(jīng)過(guò)十幾年的探索研究，以過(guò)渡金屬（如銅、鎳及其合金等）為催化襯底的化學(xué)氣相沉積法已經(jīng)成為制備高質(zhì)量石墨烯薄膜材料的主流方法。利用該方法制備的石墨烯薄膜具有品質(zhì)高、可控性好、可放大性強等優(yōu)點(diǎn)。在發(fā)展石墨烯材料基本制備方法的同時(shí)，人們也逐漸意識到，材料的放量制備是實(shí)現其實(shí)際應用的重要前提。因此，對于石墨烯材料批量制備裝備與工藝的開(kāi)發(fā)也逐漸成為現階段石墨烯領(lǐng)域發(fā)展的主題。
石墨烯材料的實(shí)際應用一直是學(xué)術(shù)界與產(chǎn)業(yè)界共同關(guān)注的重要問(wèn)題，也是石墨烯材料能否成功走向未來(lái)的決定性因素。因此，自石墨烯被發(fā)現以來(lái)，人們對其應用的探索也從未停歇。目前，不同種類(lèi)的石墨烯材料在不同的應用領(lǐng)域已經(jīng)展現出了獨具特色的應用價(jià)值，例如：石墨烯粉體材料在電池、超級電容器等領(lǐng)域表現出了非常大的應用潛力；石墨烯薄膜材料在柔性透明電極、傳感器等領(lǐng)域也同樣展現出其他導電材料所無(wú)法媲美的性能優(yōu)勢；石墨烯纖維材料在智能可穿戴、熱管理等領(lǐng)域逐漸呈現出值得期待的發(fā)展前景。但是，值得注意的是，盡管石墨烯材料在諸多領(lǐng)域的應用已經(jīng)嶄露頭角，但是距離引領(lǐng)一個(gè)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展還存在非常遙遠的距離，學(xué)術(shù)界與產(chǎn)業(yè)界在實(shí)現石墨烯實(shí)際應用的旅程中仍有很長(cháng)的路要走。
編著(zhù)本書(shū)的目的是希望為讀者提供全面系統的石墨烯相關(guān)知識與研究進(jìn)展介紹，對石墨烯材料的發(fā)展現狀與前景給予客觀(guān)的闡述分析。希望能為初涉石墨烯領(lǐng)域的研究生和科研人員提供豐富且準確的知識儲備，為相關(guān)科技工作者提供正確的方向引導。
本書(shū)結合著(zhù)者團隊十五年來(lái)在石墨烯新材料領(lǐng)域持續研發(fā)的成果和技術(shù)資料，包括國家自然科學(xué)基金基礎科學(xué)中心項目“石墨烯制備科學(xué)”、科技部973計劃“納電子運算器材料的表征與性能基礎研究”和納米重大研究計劃“準一維半導體材料的結構調控、物性測量及器件基礎”等項目的研究成果。其中“用于納電子材料的碳納米管控制生長(cháng)、加工組裝及器件基礎”“低維碳材料的拉曼光譜學(xué)研究”兩項研究成果分別獲得國家自然科學(xué)獎二等獎（2008年、2017年）。在此基礎上，參閱了大量國內外科技文獻，著(zhù)重針對高性能石墨烯材料應用技術(shù)編寫(xiě)了本書(shū)，從內容上可以很好地反映該領(lǐng)域最新研究進(jìn)展情況。
本書(shū)總共分為六章，首先從石墨烯材料的結構與性質(zhì)出發(fā)，對石墨烯的基本知識進(jìn)行系統介紹，然后以石墨烯材料不同的宏觀(guān)結構作為分類(lèi)維度，對石墨烯材料進(jìn)行清晰的分類(lèi)：石墨烯粉體材料、石墨烯薄膜材料以及石墨烯纖維材料，同時(shí)針對每一類(lèi)石墨烯材料，對其在制備方法、性能研究以及應用探索等方面的進(jìn)展進(jìn)行全面的總結，并且對其發(fā)展現狀和發(fā)展方向進(jìn)行深入的分析。本書(shū)第五章系統介紹了石墨烯薄膜從金屬生長(cháng)襯底上的剝離轉移方法，這是石墨烯薄膜未來(lái)走向實(shí)用化的瓶頸之一，也是本書(shū)不同于同類(lèi)書(shū)籍的亮點(diǎn)之一。還需指出的是，本書(shū)還對石墨烯材料批量制備裝備與工藝等方面的進(jìn)展進(jìn)行了詳細的論述，第六章還著(zhù)重介紹了目前國內外石墨烯材料領(lǐng)域的發(fā)展現狀?？梢?jiàn)，本書(shū)涵蓋內容較廣，既包含了對石墨烯材料基本知識體系、研究進(jìn)展的詳細闡述，也包含了對行業(yè)現狀與發(fā)展前景的深入探討和分析。
本書(shū)由劉忠范、亓月、林立、孫祿釗及其團隊成員共同編寫(xiě)。劉忠范負責全書(shū)整體框架和內容設計，并進(jìn)行全書(shū)通稿與再加工；亓月、林立和孫祿釗負責各章節初稿整理和定稿工作。各章節具體參與人員如下：第一章林立、劉文林、李芳芳、陸琪、張金燦；第二章亓月、林立、孫祿釗、宋雨晴、鄒文韜、王筱銳、張燕、連澤宇、陳步航、王坤、黃可聞、袁昊、李汶娟、梁富順、程熠、楊鈺垚、姜軍；第三章孫祿釗、孫秀彩、陳恒、劉曉婷、陳步航、馬子騰、李楊立志、賈開(kāi)誠、孫靖宇、劉冰之、孫曉莉、王真、劉海洋、宋曉峰、王悅晨、朱安邦；第四章亓月、黃可聞、王坤、程熠、屠策、劉若娟、程舒婷；第五章林立、吳昊天、陸琪、趙一萱、廖珺豪、尚明鵬、李芳芳、胡兆寧；第六章林立、胡兆寧、趙一萱、賈開(kāi)誠、尚明鵬。
本書(shū)作者多年來(lái)一直在石墨烯材料領(lǐng)域工作，擁有豐富的研究積累和知識積淀，本書(shū)的很多內容都是作者過(guò)去十幾年來(lái)的研究成果。盡管如此，由于時(shí)間關(guān)系和水平所限，仍無(wú)法完全避免書(shū)中存在的諸多不足，懇請廣大讀者批評指正。

劉忠范
2023年5月29日

劉忠范，1962年生于吉林九臺，物理化學(xué)家，北京大學(xué)教授。中國科學(xué)院院士，發(fā)展中國家科學(xué)院院士，中組部“萬(wàn)人計劃”杰出人才，教育部“長(cháng)江學(xué)者獎勵計劃”首批特聘教授，國家杰出青年科學(xué)基金首批獲得者。主要從事石墨烯等納米碳材料研究，發(fā)表學(xué)術(shù)論文700余篇，申請發(fā)明專(zhuān)利140余項，主編出版專(zhuān)著(zhù)、譯著(zhù)、科普著(zhù)作、個(gè)人文集、叢書(shū)、行業(yè)研究報告12部。榮獲國家自然科學(xué)獎二等獎（2項）、第八屆納米研究獎、中國化學(xué)會(huì )京博科技卓越獎、中國化學(xué)會(huì )-阿克蘇諾貝爾化學(xué)獎、北京大學(xué)“國華杰出學(xué)者獎”、寶鋼優(yōu)秀教師特等獎、IGA石墨烯行業(yè)終身榮譽(yù)獎等獎勵，以及北京市優(yōu)秀教師稱(chēng)號。兼任中國化學(xué)會(huì )副理事長(cháng)、北京石墨烯研究院院長(cháng)、第十四屆全國政協(xié)常委、北京市政協(xié)副主席、九三學(xué)社中央副主席、九三學(xué)社北京市委主委、《物理化學(xué)學(xué)報》主編、《科學(xué)通報》副主編等。

亓月，2013年6月本科畢業(yè)于山東大學(xué)，隨后進(jìn)入北京大學(xué)攻讀博士學(xué)位；2018年7月，進(jìn)入美國哈佛大學(xué)從事博士后研究（導師：Charles M. Lieber教授）；2020年8月，入職北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院，任助理研究員；2022年8月，加入北京石墨烯研究院，任研究員，致力于具有新結構、新特性的石墨烯工程纖維復合材料研發(fā)與關(guān)鍵應用技術(shù)開(kāi)發(fā)。目前，已發(fā)表SCI論文30余篇，申請專(zhuān)利十余項，獲國家自然科學(xué)基金面上項目、北京市科技新星等項目資助。任《物理化學(xué)學(xué)報》青年編委，參與編寫(xiě)了《納米碳材料》《石墨烯的化學(xué)氣相沉積生長(cháng)方法》《有問(wèn)必答：石墨烯的魅力》等多部石墨烯相關(guān)著(zhù)作。

林立，2022年2月加入北京大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，任研究員、博士生導師，海外高層次人才計劃入選者，北京石墨烯研究院未來(lái)實(shí)驗室首席科學(xué)家、轉移技術(shù)課題組組長(cháng)。2017年博士畢業(yè)于北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院，先后于曼徹斯特大學(xué)、新加坡國立大學(xué)完成博士后研究。專(zhuān)注于“高品質(zhì)石墨烯的制備、轉移和應用探索”。到目前為止，以通訊作者或第一作者在Nature Materials, Nature Communications, Science Advances, Advanced Materials等期刊上發(fā)表論文 33 篇，共發(fā)表SCI論文75篇，總引用頻次4396次，參與編寫(xiě)《石墨烯的化學(xué)氣相沉積生長(cháng)方法》等石墨烯相關(guān)著(zhù)作，授權國家發(fā)明專(zhuān)利19項。

孫祿釗，2015年本科畢業(yè)于電子科技大學(xué)光電信息學(xué)院，2020年博士畢業(yè)于北京大學(xué)前沿交叉學(xué)科研究院，獲物理化學(xué)博士學(xué)位，現任北京石墨烯研究院研究員、國家重點(diǎn)項目首席科學(xué)家。長(cháng)期從事石墨烯材料的制備方法研究，開(kāi)發(fā)了多項石墨烯薄膜的化學(xué)氣相沉積生長(cháng)技術(shù)，建成中試生產(chǎn)線(xiàn)兩條。迄今已發(fā)表高水平論文40余篇，授權國家專(zhuān)利20余項。曾獲國際先進(jìn)材料學(xué)會(huì )IAAM青年科學(xué)家獎、北京市優(yōu)秀畢業(yè)生等獎勵或榮譽(yù)。

《高性能石墨烯材料》是“先進(jìn)化工材料關(guān)鍵技術(shù)叢書(shū)”（第二批）的一個(gè)分冊。
本書(shū)圍繞“新材料之王”石墨烯材料的制備方法和典型應用，對石墨烯領(lǐng)域的發(fā)展現狀和應用前景進(jìn)行系統的闡述。全書(shū)共分六章，第一章概括性地介紹石墨烯的發(fā)現歷史、成鍵結構和能帶結構以及基本性質(zhì)。第二章到第四章按石墨烯材料的形態(tài)分類(lèi)，系統闡述石墨烯粉體材料、石墨烯薄膜材料、石墨烯纖維材料的制備方法和應用舉例。第五章總結了金屬催化劑襯底上生長(cháng)的石墨烯薄膜的剝離轉移方法，這是石墨烯薄膜未來(lái)走向實(shí)用化的瓶頸所在。本書(shū)還對石墨烯材料的批量制備裝備與工藝等方面的進(jìn)展情況做了較為詳細的闡述。本書(shū)最后一章概述了全球和中國石墨烯產(chǎn)業(yè)的發(fā)展現狀、發(fā)展趨勢以及存在的問(wèn)題、挑戰和建議，希望能夠幫助讀者對石墨烯產(chǎn)業(yè)有一個(gè)全方位的快速了解。
《高性能石墨烯材料》適合材料、化學(xué)、化工等領(lǐng)域，尤其是石墨烯領(lǐng)域的科研和工程技術(shù)人員閱讀，也可供高等學(xué)校材料、化學(xué)、化工等專(zhuān)業(yè)師生參考。

第一章 緒論	001
第一節　石墨烯簡(jiǎn)介	002
一、石墨烯發(fā)現史	002
二、石墨烯的神奇特性	003
三、石墨烯材料的分類(lèi)	005
四、石墨烯應用展望	007
第二節　石墨烯的結構	010
一、成鍵結構	010
二、能帶結構	012
第三節　石墨烯的性質(zhì)	018
一、電學(xué)性質(zhì)	018
二、光學(xué)性質(zhì)	020
三、力學(xué)性質(zhì) 	021
四、熱學(xué)性質(zhì)	025
五、其他性質(zhì)	028
參考文獻	030

第二章 石墨烯粉體材料	033
第一節　物理或化學(xué)剝離方法	034
一、機械剝離法	034
二、液相剝離法	040
三、化學(xué)剝離法	054
四、氧化還原法	056
第二節　高溫合成方法	064
一、CVD模板法	064
二、等離子體法 	073
三、焦耳熱閃蒸法	080
第三節　石墨烯粉體材料應用舉例	089
一、鋰電池	089
二、超級電容器 	100
三、導熱膜	107
四、導電油墨	112
參考文獻	118

第三章 石墨烯薄膜材料	129
第一節　通用石墨烯薄膜材料	130
一、金屬催化CVD法	130
二、超潔凈石墨烯 	141
三、規?；L(cháng)工藝與裝備 	152
第二節　石墨烯晶圓材料	164
一、單晶石墨烯晶圓 	164
二、碳化硅外延晶圓	175
三、絕緣襯底上的多晶晶圓 	184
第三節　超級石墨烯玻璃	193
一、石墨烯在傳統玻璃上的生長(cháng)方法	194
二、超級石墨烯玻璃的性質(zhì)及應用	198
第四節　石墨烯薄膜應用舉例	200
一、透明導電電極	200
二、場(chǎng)效應晶體管 	211
三、光調制器 	216
四、光電探測器 	219
五、傳感器件 	223
六、發(fā)光二極管器件 	234
參考文獻	241

第四章 石墨烯纖維材料	253
第一節　氧化石墨烯基石墨烯纖維	254
一、濕法紡絲法	254
二、薄膜加捻法	262
三、其他方法	263
第二節　石墨烯玻璃復合纖維	265
一、蒙烯玻璃纖維材料	265
二、烯碳光纖	273
三、批量制備工藝與裝備	279
第三節　石墨烯纖維材料應用舉例	285
一、電熱防除冰	285
二、電磁屏蔽 	293
三、電光調制器	297
四、鎖模激光器	301
參考文獻	304

第五章 石墨烯的剝離轉移方法	309
第一節　化學(xué)刻蝕方法	311
第二節　電化學(xué)分離方法	315
第三節　干法剝離方法	318
一、襯底預處理	319
二、金屬輔助法	324
三、聚合物輔助法	326
第四節　其他轉移法	331
參考文獻	337

第六章 蓬勃發(fā)展的石墨烯產(chǎn)業(yè)	341
第一節　全球石墨烯產(chǎn)業(yè)現狀	342
第二節　中國石墨烯產(chǎn)業(yè)現狀	344
一、地區發(fā)展現狀	344
二、產(chǎn)業(yè)規模與產(chǎn)業(yè)鏈分布	346
第三節　石墨烯產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢	349
第四節　問(wèn)題、挑戰和建議	353
參考文獻	356

索引	358