石墨烯（Graphene）是一種由碳原子構(gòu)成的單原子層二維結(jié)構(gòu)的新材料，是由碳原子以sp2雜化形成的六角型呈蜂巢晶格的結(jié)構(gòu)。石墨烯一直以來(lái)被認(rèn)為是假設(shè)性的結(jié)構(gòu)，無(wú)法單獨(dú)穩(wěn)定存在。

2004年，英國(guó)曼徹斯特大學(xué)材料學(xué)家安德烈·海姆(AndreGeim)和康斯坦丁·諾沃肖洛夫(KonstantinNovoselov)利用膠帶反復(fù)撕扯剝離高定向熱解石墨HOPG(HighlyOri鄄entedPyrolyticGraphite)的方法，成功地從石墨中分離制備出石墨烯，而證實(shí)它可以單獨(dú)存在，兩人也因“在二維石墨烯材料的開(kāi)創(chuàng)性實(shí)驗(yàn)”，共同獲得2010年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

石墨烯-聚合物復(fù)合母料、薄膜、纖維和醫(yī)用敷料

石墨烯厚度只有0.334nm，是世界上首個(gè)發(fā)現(xiàn)的最薄的材料。所有其他維度的我們所熟知碳的同素異形體都可以理解成是由石墨烯作為基本單元的結(jié)構(gòu)和物質(zhì)，譬如石墨烯可以通過(guò)范德華力堆疊成三維的石墨，卷曲成一維的碳納米管（或卷），包裹成零維的富勒烯。

目前石墨烯制備方法可分為兩大類:一是自上而下的剝離法（Top-down），即以石墨為原料采用片層剝離或研磨技術(shù)獲得石墨烯。二是自下而上的生長(zhǎng)法（Bottom-up），即在一定條件下有機(jī)碳源前驅(qū)體高溫裂解形成的碳原子在基體上沉積、生長(zhǎng)和結(jié)晶制備出石墨烯。具體可實(shí)施的方法主要包括：微機(jī)械剝離法、液相剝離法、化學(xué)氣相沉積法、化學(xué)合成法、晶體外延生長(zhǎng)法和氧化還原法。

石墨烯具有超大的比表面積、優(yōu)異的強(qiáng)度、導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、高電子遷移率、透光性，在材料學(xué)、微納加工、能源、生物醫(yī)學(xué)和藥物傳遞等方面具有重要的應(yīng)用前景，被認(rèn)為是一種未來(lái)革命性的材料。石墨烯的出現(xiàn)在科學(xué)界激起了巨大的波瀾。

人們發(fā)現(xiàn)，石墨烯具有非同尋常的導(dǎo)電性能、超出鋼百倍的強(qiáng)度和極好的透光性，它的出現(xiàn)有望在現(xiàn)代電子科技領(lǐng)域引發(fā)一輪革命。

在石墨烯中電子能夠極為高效地遷移，而傳統(tǒng)的半導(dǎo)體和導(dǎo)體，例如硅和銅遠(yuǎn)沒(méi)有石墨烯表現(xiàn)得好。石墨烯是已知的最薄、最堅(jiān)硬的納米材料，它幾乎是完全透明的，只吸收2.3%的光；導(dǎo)熱系數(shù)高達(dá)5300W/m·K，高于碳納米管和金剛石，常溫下其電子遷移率超過(guò)15000cm2/V·s，又比碳納米管或硅晶體高，而電阻率只約10-6Ω·cm，比銅或銀更低。因其電阻率極低，電子遷移的速度極快，因此被期待可用來(lái)發(fā)展更薄、導(dǎo)電速度更快的新一代電子元件或晶體管。由于石墨烯實(shí)質(zhì)上是一種透明、良好的導(dǎo)體，也適合用來(lái)制造透明觸控屏幕、光板、甚至是太陽(yáng)能電池。

石墨烯被美國(guó)麥肯錫公司認(rèn)為是改變世界未來(lái)的12項(xiàng)變革性技術(shù)之一，有望成為21世紀(jì)的新材料紀(jì)元的引領(lǐng)者和帶動(dòng)者，其應(yīng)用前景和發(fā)展趨勢(shì)給人以無(wú)限的遐想和期待。

鑒于石墨烯優(yōu)越的性能及廣闊的應(yīng)用前景，目前全球約有80多個(gè)國(guó)家和地區(qū)開(kāi)展了石墨烯相關(guān)的研究，紛紛出臺(tái)創(chuàng)新戰(zhàn)略、產(chǎn)業(yè)規(guī)劃、扶持政策，不斷加大對(duì)石墨烯研究和產(chǎn)業(yè)化的支持力度。其中美國(guó)、中國(guó)、英國(guó)、日本、韓國(guó)、歐盟及其成員國(guó)先后從國(guó)家層面開(kāi)展戰(zhàn)略部署，出臺(tái)多項(xiàng)支持政策和研究計(jì)劃，處于全球石墨烯技術(shù)研究與產(chǎn)業(yè)化的前列。

在材料發(fā)展史上，石墨電極的應(yīng)用、碳纖維復(fù)合材料以及碳-碳復(fù)合材料的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用都極大地推動(dòng)了科技的發(fā)展和人類的進(jìn)步。

石墨烯材料從理論和實(shí)驗(yàn)上都證明其具備特殊性質(zhì)和奇異的性能，其應(yīng)用前景不可限量。當(dāng)石墨烯材料的結(jié)構(gòu)和表面性能調(diào)控到極致時(shí)，石墨烯必將像碳纖維、高分子材料甚至硅材料，成為某一領(lǐng)域不可替代的物質(zhì)。

石墨烯作為新材料皇冠上的明珠，其應(yīng)用前景充滿無(wú)限可能與想象，我們有理由相信，隨著技術(shù)進(jìn)步和科學(xué)研究的發(fā)展，新型碳納米材料將會(huì)給人類帶來(lái)更多的驚喜和期待。

石墨烯作為戰(zhàn)略性新興材料，已列入國(guó)家“十三五”科技專項(xiàng)規(guī)劃并明確了其發(fā)展路徑。石墨烯是全球首個(gè)被發(fā)現(xiàn)的單原子層二維納米材料，其特殊的結(jié)構(gòu)和一系列突出的性能注定了其具有廣泛的應(yīng)用前景。

早在2009年，蘭州大學(xué)拜永孝教授在密歇根大學(xué)做博士后研究期間就開(kāi)展了石墨烯制備方法及其應(yīng)用領(lǐng)域的研究工作。回國(guó)后在甘肅省、蘭州市和蘭州大學(xué)各級(jí)領(lǐng)導(dǎo)的關(guān)心、鼓勵(lì)和支持下，在石墨烯研究領(lǐng)域的前輩和同仁們的提攜和幫助下經(jīng)過(guò)十來(lái)年的努力，主要做了如下方面的點(diǎn)滴工作。

石墨烯制備方法和工藝技術(shù)研發(fā)

突破了制約高質(zhì)量石墨烯制備的科學(xué)與技術(shù)瓶頸，解決了石墨烯綠色規(guī)?；苽洹⑻峒?、改性、表面修飾及后處理的關(guān)鍵核心技術(shù)。已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了高品質(zhì)石墨烯和石墨烯復(fù)合功能纖維的產(chǎn)業(yè)化制備，生產(chǎn)裝置運(yùn)行穩(wěn)定。在系統(tǒng)優(yōu)化工藝技術(shù)的基礎(chǔ)上，目前可提供噸級(jí)石墨烯、十噸級(jí)石墨烯導(dǎo)電漿料的低成本制備工藝和工程建設(shè)技術(shù)。

能量?jī)?chǔ)存與新能源

開(kāi)發(fā)的石墨烯可應(yīng)用于超級(jí)電容器、鋰離子電容器和鋰離子電池等可充電電池中以提高其能量密度、循環(huán)穩(wěn)定性和低溫性能等綜合性能。石墨烯的單原子層片狀結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，在熱力學(xué)驅(qū)動(dòng)下片層之間由于π-π作用易發(fā)生回疊和堆疊，從而使得比表面積大幅度減小和導(dǎo)電性迅速降低，從而限制了其功能特性的充分體現(xiàn)，這是制備高性能石墨烯超級(jí)電容器、鋰離子電池電極面臨的難題和挑戰(zhàn)。同時(shí)，在實(shí)際應(yīng)用中，提高電極材料的質(zhì)量密度以減小能源存儲(chǔ)器件的體積，也是新型超級(jí)電容器的發(fā)展方向。我們針對(duì)防止石墨烯材料的片層堆疊問(wèn)題，通過(guò)設(shè)計(jì)和構(gòu)建電極材料的三維結(jié)構(gòu)，圍繞電極材料的孔結(jié)構(gòu)調(diào)控和表面性質(zhì)優(yōu)化這一關(guān)鍵問(wèn)題，設(shè)計(jì)合成了不同孔結(jié)構(gòu)與不同表面性能的石墨烯基電極材料、構(gòu)筑了高能量密度的儲(chǔ)能器件。

導(dǎo)電油墨和墨水

開(kāi)發(fā)的高導(dǎo)電性的石墨烯可實(shí)現(xiàn)環(huán)境友好的高性能導(dǎo)電油墨的配制，應(yīng)用在物聯(lián)網(wǎng)射頻標(biāo)簽、傳感器、印刷電路等微電子及信息技術(shù)領(lǐng)域。此外，還可以用于薄膜發(fā)熱和柔性功能材料領(lǐng)域，利用石墨烯發(fā)射遠(yuǎn)紅外波實(shí)現(xiàn)加熱和發(fā)熱作用，可用于功能服飾、保健、清潔供暖等方面。

高分子復(fù)合材料

開(kāi)發(fā)的石墨烯制備和改性技術(shù)，將表面改性修飾石墨烯采用原位聚合、熔融復(fù)合、溶液復(fù)合等特定的方法融合到塑料、橡膠、纖維等高分子基體材料中。通過(guò)調(diào)控石墨烯的表面結(jié)構(gòu)和化學(xué)性質(zhì)、界面能、表面浸潤(rùn)性來(lái)解決與不同類型聚合物的熱力學(xué)相容性和相分離的問(wèn)題，從而大幅提升復(fù)合材料的強(qiáng)度與韌性，同時(shí)賦予材料抑菌、抗紫外線、驅(qū)螨、防腐、抗靜電、阻燃及導(dǎo)熱等功能特性。