序

碳在元素周期表中排第六位，是第二周期第Ⅳ族主族元素。碳原子拥有六个核外电子，其电子构型为1s²2s²2p²，最外层有四个价电子。两个碳原子通过sp3、sp2和sp杂化，分别可以形成C—C单键、C=C双键和C≡C叁键。正是由于碳元素的电子结构和不同的碳碳键成键方式，造就了碳材料结构的奇特性和种类的多样性。无论是价值连城、坚硬无比的钻石，乌黑柔软的石墨，还是被称为固体石油的煤都由碳元素构成。不仅如此，数以千万计的有机化合物和具有无穷奥妙的生命体，它们的主体元素也是碳。近年来，随着纳米材料科学的飞速发展，碳家族不断添加新成员。1985年罗伯特·柯尔（Robert F.Curl）等人制备出了C₆₀，其结构和建筑师富勒（Fuller）的代表作相似，所以称为富勒烯（Fullerene）。哈罗德·克罗托（Harold W.Kroto）、理查德·斯莫利（Richard E.Smalley）和罗伯特·柯尔亦因共同发现C₆₀并确认和证实其结构而获得1996年诺贝尔化学奖。1991年日本电子公司的饭岛澄男（Sumio Iijima）博士发现了碳纳米管。2004年，英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·海姆（Andre K.Geim）和康斯坦丁·诺沃肖洛夫（Konstantin S.Novoselov），成功地从石墨中剥离出石墨烯，两人也因此共同获得2010年诺贝尔物理学奖。零维的富勒烯、一维的碳纳米管、二维的石墨烯及三维的石墨和金刚石构成了完整的碳系家族，尤其是二维的石墨烯已成为该家族中一颗耀眼的科学明星。

石墨烯是由一层碳原子构成的周期六方点阵蜂窝状二维晶体。其中每个碳原子与其他3个碳原子通过σ键相连接，剩余的1个p电子轨道垂直于石墨烯平面，每个碳原子贡献1个未成键的π电子，与周围的原子形成π共轭的网络结构。与其他碳材料相比，石墨烯具有完美的大π共轭体系和最薄的单层原子厚度的结构，这使得石墨烯拥有非常优异和独特的光、电、磁、力等物理性能和化学性能，致使石墨烯材料在高性能复合材料、智能材料、电子器件、太阳能电池、能量储存装置和药物载体等领域具有极其广阔的应用前景。为此，各国的政府、高等院校、科研院所和企业进行了大量的人力、物力和财力的投资。英国是石墨烯的故乡，2013年英国政府投资6100万英镑在曼彻斯特大学创建国家石墨烯研究院，以使英国在石墨烯研究方面继续保持世界领先水平。2015年英国政府又投资6000万英镑同样在曼彻斯特大学成立石墨烯工程创新中心，旨在打造新的尖端石墨烯研究设施，实现“发现在英国”“制造也在英国”的国家目标。2015年欧洲提出石墨烯旗舰计划，预计10年累计投资10亿英镑，旨在把石墨烯及相关二维材料从实验室推广到社会应用中。美国“国家纳米技术计划”将石墨烯作为重要组成部分，2004～2013年间美国国家自然科学基金会资助了近500项石墨烯研究项目。我国对石墨烯的研究和应用开发高度重视，仅科学技术部（科技部）国家重点基础研究发展计划（973计划）就先后立项三项；2015年11月，工业和信息化部联合国家发展和改革委员会、科技部出台了《关于加快石墨烯产业创新发展的若干意见》，提出我国石墨烯材料未来5年的发展目标。目前，我国已成为石墨烯研究和应用开发最为活跃的国家之一。数据显示，我国发表的研究论文数、申请的专利数均为全球第一，其中专利数占全世界的1/3。

在这样的背景下，《石墨烯：从基础到应用》一书应运而生。当今，出版一本介绍石墨烯的基本知识，全面分析和总结已经取得的大量成果，正确把握未来的研究和发展方向，促进和开拓石墨烯独特性能的实际应用的高质量专著非常及时，也很有必要。本书的作者长期专注于石墨烯的研究工作，在石墨烯的制备，结构表征，化学反应，光、电、磁性能研究，以及石墨烯在复合材料、能源材料和工业应用等方面取得了一系列优秀的成果，受到国内外同行的关注和肯定。在此基础上，他们经过认真分析、归纳、思考，最终写成《石墨烯：从基础到应用》一书。相信本书出版后，无论是从事石墨烯研究与开发的科技工作者，还是对石墨烯感兴趣的大学生、研究生、企业家以及管理人员，都会从本书中获得知识、得到启发，进而提升我国石墨烯的原始创新能力，推进石墨烯产业化的发展，实现从跟踪、追赶到并跑、再到领跑的目标。

中国科学院院士

北京大学教授