石墨烯是一种新型碳材料，具有非同寻常的机械性能和物理性能。本书从材料制备、性能评价、各种开发和应用技术等方面详细讨论了这种新型材料的研究情况，并探讨了这种材料的发展前景和技术路径。

本书可供高校和科研院所有关材料、物理、电子等专业的师生阅读，也可供上述专业的技术人员参考。

Preface 

The Nobel Prize in Physics for 2010 was awarded to Profs. A. Geim and K. Novoselov of the University of Manchester for their groundbreaking experiments on graphene. The term “graphene” was proposed in 1986 in relation to the terminology used for graphite intercalation compounds. After the Nobel Prize, scienti.c and technological interest in graphene increased rapidly; as a consequence, a tremendous amount of literature declaring its research target to be graphene has been published. Unfortunately, this rapid growth in interest has caused serious confusion regarding the de.nition and terminology of graphene even in scienti.c journals. 

Twoofthe current authors,M.Inagaki andF.Kang,have authoredthree booksina series, entitled Materials Science and Engineering of Carbon: Fundamentals, Advanced Materials Science and Engineering of Carbon,and Materials Science and Engineering of Carbon: Characterization. It was anticipated that these books would provide a comprehensive understanding of a wide range of carbon materials (graphite, graphitized carbons, carbon blacks, activated carbons, pyrolytic carbons, glass-like carbons, porous carbons, carbon .bers, etc., in addition to diamond, fullerenes, carbon nanotubes, and graphene)through the detailed explanation and discussion of their structures, nanotextures, and fundamental properties. However, the occurrence of misperceptions and the .ood-like increase in research papers on graphene-related (graphene-like) materials led these two authors to believe it was necessary to edit a book focusing on graphene-related materials, in addition to the three previously mentioned books, although graphene is a members of the carbon family. Therefore, they invited two authors, K.Takai and S. Tsujimura, who are specialists in the physical chemistry of graphene, and electrochemistry applications to biomedicals, respectively, to cover the widely spread applications of graphene in this book. 

In this book, the authors attempted to provide summaries and reviews on graphene and its related materials by differentiating materials with a high perfection of structure (graphene) from those that are highly defective, even with various functional groups attached (reduced graphene oxide). In addition, it is emphasized that the number of layers governs the properties of the .akes of graphene (the characteristics of graphene)which are quite different from those of graphite (many layers stacked) and possible to be obtained on the .ake of only a few highly-crystalline layers stacked. 

v 

Preface 

To understand graphene and its related materials, a wide range of fundamental knowledge on various carbon materials is essential: that is, knowledge such as carbonization, graphitization, intercalation, and so on, in addition to basic knowledge about chemistry, physics, biology, and others.For the readers’ convenience, it is recommended to consult the three books mentioned previously, which are published by Tsinghua University Press and Elsevier. These books will supply fundamental knowledge about carbon materials and provide an understanding of a broad range of topics in the current book. 

It will be truly pleasing to all of the authors if the content of this book delivers useful information to the readers and will lead readers to the correct understanding of graphene and related materials. 

vi 

Acknowledgments 

The authors would like to express their sincere thanks to the people who kindly provided the data and .gures for this book. The names and af.liations of the contributing persons are mentioned in the captions of .gures. The authors also thank all of the people who took care of this book at Tsinghua University Press and also at Elsevier. 

vii 

Contents 

Preface .............................................................................................................v  Acknowledgments ..............................................................................................vii 

Chapter 1: Introduction......................................................................................1 

1.1 What is graphene?.................................................................................................. 1 

1.2 Fundamentals of materials science for carbon materials ..................................... 5 

1.2.1 Classi.cation of carbon materials ..................................................................... 5 

1.2.2 Structure and nanotexture of carbon materials.................................................6 

1.2.3 Carbonization and graphitization ...................................................................... 8 

1.2.4 Carbon materials .............................................................................................. 12 

1.3 Construction and purposes of the current book..................................................29  References................................................................................................................... 31 

Chapter 2: Preparation of graphene .................................................................. 39 

2.1 Chemical vapor deposition .................................................................................. 41 

2.1.1 Synthesis of graphene .lms............................................................................. 41 

2.1.2 Synthesis of graphene .akes ........................................................................... 60 

2.1.3 Synthesis of single-walled carbon nanohorns.................................................65 

2.1.4 Substitutional doping of heteroatoms.............................................................. 69 

2.1.5 Graphene foams ............................................................................................... 80 

2.2 Cleavage (peeling) ............................................................................................... 81 

2.2.1 Mechanical cleavage........................................................................................81 

2.2.2 Cleavage in solution ........................................................................................ 85 

2.2.3 Cleavage via intercalation compounds............................................................95 

2.3 Exfoliation via graphene oxide.......................................................................... 101 

2.3.1 Synthesis of graphene oxide..........................................................................102 

2.3.2 Exfoliation of graphene oxide ....................................................................... 105 

2.3.3 Reduction of graphene oxide......................................................................... 107 

2.3.4 Fabrication of reduced graphene oxide foams (sponges).............................123 

2.3.5 Functionalization of reduced graphene oxide...............................................127 

2.3.6 Substitutional doping of heteroatoms............................................................ 133 

2.3.7 Fabrication of transparent reduced graphene oxide .lms ............................ 135 

2.4 Other processes .................................................................................................. 138 

2.4.1 Chemical synthesis......................................................................................... 138 

i 

Contents 

2.4.2 Synthesis via pyrolysis .................................................................................. 143 

2.4.3 Unzipping of carbon nanotubes..................................................................... 147 

2.5 Concluding remarks ........................................................................................... 150  References................................................................................................................. 153 

Chapter 3: Electrical properties and applications .............................................. 173 

3.1 Fundamental electrical properties...................................................................... 174 

3.1.1 Electronic structure of graphene ................................................................... 174 

3.1.2 Effects of defects and edges..........................................................................181 

3.2 Applications to information technology............................................................189 

3.2.1 Transistor devices........................................................................................... 189 

3.2.2 Spintronics devices ........................................................................................ 207 

3.2.3 Transparent electrode.....................................................................................221 

3.3 Applications to social .elds .............................................................................. 226 

3.3.1 Sensor devices................................................................................................226 

3.3.2 Photon detectors.............................................................................................233 

3.3.3 Resistance standard........................................................................................237 

3.3.4 Electron .eld emission .................................................................................. 242 

3.4 Concluding remarks ........................................................................................... 244  References................................................................................................................. 244 

Chapter 4: Chemical properties and applications............................................... 251 

4.1 Fundamental chemical properties......................................................................252 

4.1.1 Hydrogenation................................................................................................253 

4.1.2 Oxygenation ................................................................................................... 256 

4.1.3 Layer modi.cation.........................................................................................258 

4.2 Applications to energy storage and conversion ................................................ 259 

4.2.1 Lithium-ion batteries...................................................................................... 259 

4.2.2 Electrochemical capacitors ............................................................................ 268 

4.2.3 Lithium-ion capacitors...................................................................................278 

4.2.4 Lithium-sulfur batteries ................................................................................. 282 

4.2.5 Solar cells (photovoltaic cells) ...................................................................... 292 

4.2.6 Fuel cells ........................................................................................................ 298 

4.2.7 Hydrogen storage ........................................................................................... 306 

4.3 Applications to environment remediation ......................................................... 311 

4.3.1 Adsorption of polluting molecules and ions.................................................311 

4.3.2 Sorption and recovery of oils ........................................................................ 321 

4.3.3 Capacitive deionization for water desalination.............................................325 

4.3.4 Catalysts ......................................................................................................... 332 

4.3.5 Chemical sensors............................................................................................ 341 

4.4 Concluding remarks ........................................................................................... 352  References................................................................................................................. 354 

ii 

Contents 

Chapter 5: Mechanical properties and applications............................................ 373 

5.1 Fundamental mechanical properties .................................................................. 374 

5.2 Nanolubricants.................................................................................................... 383 

5.3 Mechanical sensors ............................................................................................ 387 

5.4 Mechanical reinforcement ................................................................................. 393 

5.4.1 Reinforcement of plastics .............................................................................. 393 

5.4.2 Reinforcement of ceramics............................................................................395 

5.4.3 Reinforcement of metals................................................................................ 400 

5.5 Reduced graphene oxide .bers.......................................................................... 404 

5.6 Concluding remarks ........................................................................................... 409  References................................................................................................................. 410 

Chapter 6: Thermal properties and applications................................................ 415 

6.1 Fundamental thermal properties ........................................................................ 416 

6.2 Thermal interface materials ............................................................................... 422 

6.3 Nano.uids........................................................................................................... 429 

6.4 Thermoelectric power ........................................................................................ 432 

6.5 Thermal energy storage ..................................................................................... 436 

6.6 Concluding remarks ........................................................................................... 442  References................................................................................................................. 443 

Chapter 7: Biomedical properties and applications ............................................ 449 

7.1 Biocompatibility.................................................................................................450 

7.2 Cell management................................................................................................ 454 

7.2.1 Scaffolds for cell culturing ............................................................................ 454 

7.2.2 Stem cell differentiation ................................................................................ 458 

7.2.3 Cell imaging...................................................................................................459 

7.2.4 Antibacterial activity...................................................................................... 460 

7.3 Drug delivery systems........................................................................................ 464 

7.4 Biosensors........................................................................................................... 469 

7.5 Concluding remarks ........................................................................................... 476  References................................................................................................................. 478 

Chapter 8: Beyond graphene........................................................................... 485 

8.1 Graphene derivatives..........................................................................................486 

8.1.1 Graphane (hydrogenated graphene)............................................................... 487 

8.1.2 Fluorographene (.uorinated graphene) ......................................................... 495 

8.1.3 Graphene oxide (oxidized graphene) ............................................................ 501 

8.1.4 Graphyne and graphdiyne..............................................................................514 

8.2 Single-layer materials ........................................................................................ 519 

8.2.1 Honeycomb layers of group IV elements...................................................... 519 

8.2.2 Honeycomb layers of group IIIeV compounds ........................................... 524 

8.2.3 Single layers of transition metal dichalcogenides ........................................ 531 

iii 

Contents 

8.3 Layer-by-layer composites................................................................................. 537 

8.4 Concluding remarks ........................................................................................... 544  References................................................................................................................. 546 

Chapter 9: Summary and prospects.................................................................561 

9.1 Summary on graphene ....................................................................................... 561 

9.2 Prospects.............................................................................................................565 

9.2.1 Importance of number of layers stacked..................................................... 565 

9.2.2 Two kinds of graphene materials ................................................................ 570 

9.2.3 Field effect and zero bandgap ..................................................................... 572 

9.2.4 Extremely high thermal conductivity..........................................................574 

9.2.5 Basics for molecular sensing.......................................................................576 

9.2.6 Basics for foreign atom doping...................................................................578 

9.2.7 Importance of pep interaction................................................................... 580 

9.2.8 Biomedical applications............................................................................... 582 

9.2.9 New composite materials............................................................................. 585 

9.2.10 Extension to organic chemistry ................................................................... 588  References................................................................................................................. 589 

Index ............................................................................................................ 593 

石墨烯是从石墨中提取的一种新型碳材料，具有非同寻常的机械性能和物理性能。本书从材料制备、性能评价、各种开发和应用技术等方面详细讨论了这种新型材料的研究进展，探讨了这种材料的发展前景和技术路径。本书非常适合高校和科研院所材料科学及物理、电子等专业的师生及生产企业的工程技术人员阅读参考。

The authors of this book are composed of two persons who have been working on carbon materials, published many research papers and recently published three books on carbon materials on their fundamentals, advances and characterizations (M. Inagaki and F. Kang) and two persons who have been working on graphene from the standpoints of physics (K. Takai), and biochemical applications (S. Tsujimura).  The book is going to be written under the corporation of four authors by sharing the responsibilities on whole