石墨烯怎么提炼

（1）原材料：实际上石墨烯本来就存在于自然界，只是难以剥离出单层结构。石墨烯一层层叠起来就是石墨，厚1毫米的石墨大约包含300万层石墨烯。铅笔在纸上轻轻划过，留下的痕迹就可能是几层甚至仅仅一层石墨烯。

（2）应用领域：

在塑料里掺入百分之一的石墨烯，就能使塑料具备良好的导电性；加入千分之一的石墨烯，能使塑料的抗热性能提高30摄氏度。在此基础上可以研制出薄、轻、拉伸性好和超强韧新型材料，用于制造汽车、飞机和卫星。

随着批量化生产以及大尺寸等难题的逐步突破，石墨烯的产业化应用步伐正在加快，基于已有的研究成果，最先实现商业化应用的领域可能会是移动设备、航空航天、新能源电池领域。

消费电子展上可弯曲屏幕备受瞩目，成为未来移动设备显示屏的发展趋势。

另一方面，新能源电池也是石墨烯最早商用的一大重要领域。

由于高导电性、高强度、超轻薄等特性，石墨烯在航天军工领域的应用优势也是极为突出的。而石墨烯在超轻型飞机材料等潜在应用上也将发挥更重要的作用。

1、电子运输：

在发现石墨烯以前，大多数（如果不是所有的话）物理学家认为，热力学涨落不允许任何二维晶体在有限温度下存在。所以，它的发现立即震撼了凝聚态物理界。虽然理论和实验界都认为完美的二维结构无法在非绝对零度稳定存在，但是单层石墨烯在实验中被制备出来。这些可能归结于石墨烯在纳米级别上的微观扭曲。

2、导电性：

石墨烯结构非常稳定，迄今为止，研究者仍未发现石墨烯中有碳原子缺失的情况。石墨烯中各碳原子之间的连接非常柔韧，当施加外部机械力时，碳原子面就弯曲变形，从而使碳原子不必重新排列来适应外力，也就保持了结构稳定。这种稳定的晶格结构使碳原子具有优秀的导电性。石墨烯中的电子在轨道中移动时，不会因晶格缺陷或引入外来原子而发生散射。由于原子间作用力十分强，在常温下，即使周围碳原子发生挤撞，石墨烯中电子受到的干扰也非常小。

3、导热性：

石墨烯具有极高导热系数， 近年来被提倡用于散热等方面， 在散热片中嵌入石墨烯或数层石墨烯可使得其局部热点温度大幅下降。美国加州大学一项研究显示 ， 石墨烯的导热性能优于碳纳米管。中国科学院山西煤炭化学研究所高导热石墨烯/炭纤维柔性复合薄膜，其厚度在10~200 μm之间可控，室温面向热导率高达977 W/m•K，拉伸强度超过15 MPa。

普通碳纳米管的导热系数可达3000W/mK以上， 各种金属中导热系数相对较高的有银、铜、金、铝， 而单层石墨烯的导热系数可达5300W/mK， 甚至有研究表明其导热系数高达6600W/mK。

优异的导热性能使得石墨烯有望作为未来超大规模纳米集成电路的散热材料 。与纯石墨烯相比， 还原剥离氧化石墨得到热导率相对较低(0.14 ～ 2.87 W/mK)的石墨烯(RGOx)。其导热系数与氧化石墨被氧化程度密切相关， 原因是RGOx薄片即使经过热还原处理后仍然具有氧化性。导热率可能与其中残余的化学官能团、破坏的碳六元环等缺陷有关化学结构被氧化导致晶格缺陷的产生， 阻止了热传导作用。

4、机械特性

石墨烯是人类已知强度最高的物质，比钻石还坚硬，强度比世界上最好的钢铁还要高上100倍。哥伦比亚大学的物理学家对石墨烯的机械特性进行了全面的研究。在试验过程中，他们选取了一些直径在10—20微米的石墨烯微粒作为研究对象。研究人员先是将这些石墨烯样品放在了一个表面被钻有小孔的晶体薄板上，这些孔的直径在1—1.5微米之间。之后，他们用金刚石制成的探针对这些放置在小孔上的石墨烯施加压力，以测试它们的承受能力。

5、化学性质：

我们至今关于石墨烯化学知道的是：类似石墨表面，石墨烯可以吸附和脱附各种原子和分子。从表面化学的角度来看，石墨烯的性质类似于石墨，可利用石墨来推测石墨烯的性质。石墨烯化学可能有许多潜在的应用，然而要石墨烯的化学性质得到广泛关注有一个不得不克服的障碍，缺乏适用于传统化学方法的样品。

鸡西市，黑龙江省省辖市，东北老工业基地主要城市之一，东北地区最大煤城、黑龙江省“四大煤城”之首，是一座百年历史的综合性工业城市。位于黑龙江省东南部，省境东部完达山麓穆棱河畔，三面环山，南与穆棱市接壤，北与七台河市、宝清县相连，西与林口县毗邻。

鸡西是是中国重要的煤炭基地及石墨的生产地，是以煤炭为主体，兼有机械、装备制造、冶金、电力、化工、建材等门类的工业城市。2014年，鸡西市正式被中国矿业联合会授予“中国石墨之都” 矿业名城的称号，成为建国以来被授予矿业名城称号的第11个城市，是黑龙江省唯一获此殊荣的城市。

碳是自然界分布最普遍的元素之一，是构成地球上一切生命体最重要的元素，碳材料的特性几乎覆盖地球上所有物质的特性。

石墨烯作为先进的碳材料是当今发现的世界上最优质的材料之一，中国作为石墨资源大国和全球制造业大国，不但在石墨烯研究和技术开发方面与国际同步而且在应用方面具有巨大的市场空间，成为全球石墨烯产业的“领头羊”。石墨烯有两种形态，一种是粉末浆料和薄膜一般从 天然石墨剥离而来。另一种是以甲烷乙烯等含碳气体为碳源，所以，天然石墨是制备石墨烯的重要原料矿藏。我国早在上个世纪30年代就开始了石墨的生产加工，但那时工艺简单，劳动条件差，生产率极低，年产只有几千吨，新中国成立以来的几十年发展，2011年，我国石墨及碳素制品产量为2.6万吨，到2013年全球石墨产量为119万吨，其中中国生产占81万吨，达68%据全球首位。

我国石墨主产区分布在黑龙江、内蒙古、山东、湖南等地，据不完全统计，我国石墨矿储量占世界总储量的75%，产量占世界总产量的70%左右。由于全球石墨储采比达到1百年以上，丰富的储量保证了原料供应不受制约。

石墨烯是世界上最薄、最硬的材料，于2004年问世，发现石墨烯的英国曼彻斯特大学诺沃肖洛夫教授凭着这一重大发现而于2010年获得诺贝尔物理学奖！

石墨烯被誉为“黑金”“新材料之王”，根据已知的信息，石墨烯的厚度是头发丝的20万分之一，强度是钢的200倍，是世界上已知的最轻最薄、最强的材料。科学家预言，石墨烯将“改变21世纪”。

甚至石墨烯技术极有可能掀起一场席卷全球的颠覆性新技术新产业革命。一旦石墨烯技术能应用到商业中，将取代煤炭与石油天然气，以及硅，成为提供人类生活所需大多数发电能源的来源！这无疑将彻底颠覆当前的大量产业！

这标志着不久的将来，所有依靠生产石油赚取收入的国家将面临经济大灾难，石油将无人问津，油价将跌落谷底，中东许多产油国将有可能排队破产！

首先需要从统筹推进煤炭清洁低碳发展、多元化利用和综合储运。应尽最大努力保障国家能源安全。要坚定肩负保障国家能源安全重大使命，夯实煤炭和燃煤发电基础保障，进入夏峰关键时期，我省保障能源供应任务艰巨，要全力保障煤炭生产。紧紧围绕保供目标，加强统筹规划，全力挖潜增效。

其次需要推广煤炭清洁利用的障碍等方面入手。主要来自技术和资金问题。煤炭清洁利用技术取得了长足进步，但仍有许多问题没有突破。特别是一些煤炭加工核心技术尚未掌握，仍需引进，增加了研发和推广成本。一些技术虽然达到了世界先进水平，但没有国家政策的支持是无法大力推广的，对提高煤炭清洁利用水平的作用有限。

再者需要推进节能减排重点工作，推动能源利用效率大幅提升。主要污染物排放总量持续减少，实现节能减碳减排协同，质量持续提升生态环境，目标是为尽快实现从能源消费“双控”向碳排放总量和强度“双控”转变创造条件，为实现碳达峰和碳中和目标奠定坚实基础。推动新型基础设施能效提升，加快数据中心和基站绿色改造，促进电子信息制造绿色利用。

要知道的是煤炭在我国能源体系中发挥着基础性和基础性作用，煤炭上下游产业是我国国民经济的重要组成部分。煤炭价格过高或过低都会对煤炭上下游产业平稳健康发展有影响和我国能源安全稳定供应产生不利影响。因此，建立煤炭上下游合作共赢的长效机制，将煤炭价格稳定在合理区间内，对于认真贯彻落实中央经济工作会议精神，促进煤炭上下游产业高质量发展。

目前“减碳”成了热门话题， 碳好像成了一只人人喊打的过街老鼠。 可是要搞清楚 ，这里所减的碳是指导致气候变化的二氧化碳（CO2），千万不要误解为逢碳必减，因为碳对我们人类很重要，而且适量的二氧化碳也是我们人类必需的，要减的是过量的CO2。

碳是自然界最普遍的元素之一，是地球上能够形成生命的最核心要素，没有碳，就没有生命。碳与我们日常生活息息相关。在人类的发展 历史 上，碳不仅是食物的来源、能量的来源，更是材料的来源。

原英国石油（BP）公司首席执行官约翰.布朗勋爵写了一本书，叫《七个改变了世界的元素》。这七个元素分别是铁、碳、金、银、铀、钛和硅。在布朗勋爵眼里，碳如钢铁，是帮助人类建成了当今现代 社会 的“七大元素”之一，功不可没。下面就来说说“七大元素”之一的碳。

碳是一种不可思议的元素。以一种方式排列碳原子，它们就会变成柔软柔韧的石墨。换一种方式重新排列，你会得到金刚石，世界上最坚硬的材料之一。

碳也是地球上大多数生命的关键成分制造第一个纹身的颜料石墨烯是技术奇迹的基础，这种材料比钢铁更坚固，比橡胶更柔韧。

碳以碳-12的形式在自然界存在，它几乎构成了宇宙中99%的碳另外碳-13约占1%还有碳-14，它只占碳总量的很小一部分，但在测定有机物体的年代方面非常重要。

1）碳的基本信息

2）碳是如何形成的:从恒星到生命

碳是在恒星内部产生的，尽管它不是在大爆炸中产生的。根据Swinburne天体物理和超级计算中心的资料，它在恒星的内部通过一个被称为三重alpha过程的反应形成。在这个过程中，三个氦核发生聚变。当一颗大质量恒星变成超新星时，碳会散射，并能被合并成下一代恒星和行星。

在燃烧了大部分氢的老星星中，剩余的氦会聚集起来。每个氦原子核有两个质子和两个中子。在超过1亿开尔文(179,999,540.6华氏度)的高温下，氦核开始聚变，首先成对形成不稳定的4质子铍核，最终，当足够多的铍核出现时，变成一个铍和一个氦。最后的结果是: 原子中有6个质子和6个中子。

碳是一个模式制造者。它可以与自己连接，形成长而有弹性的链，称为聚合物。由于它的电子排列，它还可以与多达四个其他原子结合。原子被排列成原子核，原子核被电子云包围，电子在离原子核不同距离的地方轰鸣（zinging）。根据加州大学戴维斯分校(University of California, Davis)资料，化学家将这些距离视为壳层，并通过每个壳层的内容来定义原子的属性。碳有两个电子层，第一个电子层有两个电子，第二个电子层有八个可能的电子空间中的四个。当原子成键时，它们在最外层共用电子。碳的最外层有四个空的空间，使它能与其他四个原子结合(它还可以通过形成双键和三键稳定地与更少的原子结合)。

碳是一种非金属，它可以与自身和许多其他化学元素结合。据化学解释网站，近1000万种碳化合物已经被发现，科学家估计，碳是95%的已知碳化合物的基石。因为它比其他任何元素都能形成更多的化合物，所以被称为“元素之王”。由于碳具有与许多其他元素结合的惊人能力，这是它对几乎所有生命都至关重要的主要原因。

碳元素的发现已经湮没在 历史 长河中，这种元素在史前人类以木炭的形式被发现。根据世界煤炭协会(world coal Association)的数据，碳作为煤炭仍然是全球主要的燃料来源，提供了世界约37%的电力。煤炭也是钢铁生产的关键成分，而碳的另一种形式石墨是一种常见的工业润滑剂。

碳-14是一种碳的放射性同位素，考古学家使用它来确定物体和遗骸的年代。碳-14自然存在于大气中。根据爱荷华州立大学无损评估中心，植物在呼吸作用中吸收它，在呼吸作用中，它们将光合作用中产生的糖转化为它们用来生长和维持其他过程的能量。动物通过吃植物或其他以植物为食的动物将碳-14吸收到体内。据亚利桑那大学，碳-14有5,730年的半衰期，这意味着在那之后，样本中一半的碳-14会衰变。

因为有机体死后会停止吸收碳-14，所以科学家可以用碳-14的半衰期作为一种时钟来测量有机体死后的时间。这种方法适用于曾经有生命的生物体，包括由木头或其他植物材料制成的物体。

3）我们所知的碳

4）正在进行的碳研究

碳是一种长期研究的元素，但这并不意味着没有更多的元素可以发现。事实上，与我们的史前祖先燃烧木炭元素相同的碳元素可能是下一代 科技 材料的关键。

1985年，德克萨斯州莱斯大学的Rick Smalley和Robert Curl及其同事发现了一种新的碳形式。根据美国化学学会的资料，通过用激光汽化石墨，科学家们创造了一种由纯碳组成的神秘的新分子。这个分子原来是一个由60个碳原子组成的足球形状的球体。研究小组将他们的发现命名为巴克敏斯特富勒烯，以一位设计了测地圆顶的建筑师的名字命名。这种分子现在被更普遍地称为“巴基球”。发现它的研究人员获得了1996年的诺贝尔化学奖。

根据2009年发表在《化学信息与建模杂志》上的一项研究，人们发现巴克球可以抑制艾滋病毒的传播医学研究人员正致力于将药物一个分子接一个分子地附着在巴基球上，以便将药物直接输送到体内的感染或肿瘤部位 这包括哥伦比亚大学、赖斯大学和其他大学的研究。

2021年，中国燕山大学田永军（Yongjun Tian）领导的研究人员发现，通过压缩巴基球，他们可以制造出迄今为止所见过的最坚硬的非晶体材料，几乎和钻石一样坚硬。

其他被称为富勒烯的新型纯碳分子也被发现，包括椭圆形的“巴克耶蛋”（buckyeggs)和具有惊人导电性能的碳纳米管。碳化学的热度仍然足以让人获得诺贝尔奖: 2010年，来自日本和美国的研究人员因研究出如何使用钯原子将碳原子连接在一起而获奖，据诺贝尔基金会(Nobel Foundation)称，这是一种能够制造大型复杂碳分子的方法。

科学家和工程师们正在利用这些碳纳米材料来制造直接来自科幻小说的材料。《纳米快报》2010年的一篇论文报道了一种柔性、导电纺织品的发明，这种纺织品浸入碳纳米管“墨水”中，可用于储存能量，或许为可穿戴电池、太阳能电池和其他电子产品铺平了道路。这种墨水现在可以从化学供应公司买到。

然而，如今碳研究是最热门的研究领域之一，可能涉及到“神奇材料”石墨烯。石墨烯是一层只有一个原子厚的碳。它是已知的最坚固的材料，同时仍具有超轻和柔韧性。而且它的导电性比铜好。科学家们仍在发现石墨烯的新特性。例如，2020年，研究人员在《自然物理学》杂志上报告称，通过正确的方式堆叠石墨烯，他们可以使其具有磁性。

大规模生产石墨烯是一个挑战，尽管研究人员在2014年4月报告称，他们可以只使用厨房搅拌机就能大量生产。2020年，荷兰代尔夫特理工大学的科学家开发了一个数学模型来指导大规模生产。如果科学家们能够很容易地制造出大量石墨烯，这种材料将在 科技 领域发挥巨大的作用。想象一下，具有柔韧性、不易破碎、而且恰好又薄如纸的小玩意儿。事实上，碳从木炭和钻石发展到现在已经有了很长的一段路。

5）碳纳米管

碳纳米管(CNT)是一种由碳原子构成的微小的吸管状结构。这些管子在各种电子、磁性和机械技术中都非常有用。这些管子的直径非常小，它们的测量单位是纳米，一纳米是一米的十亿分之一，大约比人类头发还细1万倍。

碳纳米管的强度至少是钢的100倍，但重量只有钢的六分之一，所以它们可以增加几乎任何材料的强度，据理解纳米网的报道，在导电性和导热性方面比铜更好。

纳米技术正被应用于将海水转化为饮用水的研究。在一项新的研究中，劳伦斯利弗莫尔国家实验室(LLNL)的科学家们开发了一种碳纳米管工艺，可以比传统技术更有效地从海水中提取盐。

例如，传统的海水淡化工艺在高压下泵入海水，使其通过反渗透膜。然后，这些膜排斥所有大颗粒，包括盐，只允许干净的水通过。然而，据LLNL说，这些海水淡化厂非常昂贵，只能处理一个县水需求的大约10%。

在碳纳米管研究中，科学家们模拟了生物膜的结构方式: 本质上是膜内部有孔的基质。他们使用的纳米管特别小，比人的头发还要细5万倍以上。这些微小的纳米管可以容纳非常高的水通量，但又太窄了，一次只能有一个水分子通过。最重要的是，盐离子太大了，无法穿过管子。

本文主要据Stephanie Pappas “Carbon: Facts about an element that is a key ingredient for life on Earth”和Anne Marie Helmenstine“10 Facts About Carbon (Atomic Number 6 or C)”编译。