引言：
石墨烯這種神奇的材料，因其優異的實體和化學性質，是以它在衆多領域中，例如像能源與電子領域中都具有很廣的應用，其前景也是十分可觀。
微觀視角下的石墨烯
石墨烯的制備過程經曆了多次技術革新，最開始時是機械剝離的方法，随着演變之後慢慢轉變為了現在的化學氣相沉積方法，此外還有像機械剪法等。
不管是哪一種方法，都展現了石墨烯制備之路上的不斷創新與改進，這種改進對以後的制備不僅提高了需求，還起了重大作用。
石墨烯的制備方法主要有以下幾種。
石墨烯制備方法對比
一、氧化石墨烯的制備方法
制備石墨烯所用到的氧化還原法一般需要通過氧化石墨進而來達到氧化石墨烯的效果。然後通過還原氧化石墨烯的方法得到石墨烯。下面将分别介紹這兩個步驟的具體方法和實驗步驟。
首先，在氧化石墨烯制備時，大多都是以氧化劑來對石墨烯的材料先進行氧化，進而形成石墨烯氧化物的合成。
例如像高錳酸鉀與硝酸等都是石墨烯制備時經常要用的一些氧化劑。不過，硝酸是應用最多的一種。
下面是硝酸氧化法的具體步驟：
實驗步驟：
1.将石墨粉末加入濃硝酸中，用超音波打散，形成均勻懸浮液。石墨粉末的品質應該與濃硝酸的體積成比例，一般是1g石墨粉末加入10mL濃硝酸。
2.将懸浮液放置在攪拌器上攪拌，使其均勻氧化。氧化反應時間一般為12-24小時，可以根據需要進行調整。
石墨粉
3.将氧化後的石墨烯氧化物用水反複洗滌，使其除去掉濃硝酸、硝酸根等殘留物。反複洗滌的次數視具體需要而定。
在氧化石墨烯的制備過程中，涉及到一些關鍵的公式，下面分别進行介紹。
氧化反應公式
氧化石墨烯的制備方法通常是通過氧化石墨前體的化學反應得到的。
以下為氧化反應會出現的方程式：
在這種反應之中，葡萄糖（C6H12O6）和硝酸（HNO3）産生反應之後會産生石墨烯的一種前體氧化，這種氧化前體被稱為“石墨烯醇酸”
氧化還原反應
氧化度計算公式
石墨烯烯醇酸（GO）的氧化度可以用如下公式計算：
氧化度公式
其中，$(\rm C/O){\rm GO}$表示石墨烯烯醇酸（GO）中碳與氧的原子比，$(\rm C/O){\rm graphite}$代表着裡面的原子比。
還原反應公式
氧化石墨烯可以通過還原反應得到還原石墨烯。還原反應的化學方程式如下：
還原反應公式
在這個反應中，氫化肼（hydrazine hydrate）在這種領域是一種應用較廣的還原劑。
還原示意圖
二、還原氧化石墨烯的制備方法
想要通過此方法來制備石墨烯，就必須要依靠還原劑将其給氧化，使其形成石墨烯。
下面是水合肼還原法的具體步驟：
實驗步驟：
1.将氧化石墨烯粉末加入去離子水中，形成均勻懸浮液。氧化石墨烯的品質應該與去離子水的體積成比例，一般是1g氧化石墨烯加入10mL去離子水。
2.将水合肼加入懸浮液中，用超音波打散，形成均勻混合物。水合肼的加入量一般為氧化石墨烯的1-2倍。
水合肼還原法化學公式
3.将混合物加熱到80℃左右，反應2-3小時。反應過程中，混合物會逐漸變為黑色。
4.将還原後的石墨烯沉澱，用去離子水反複洗滌，除去掉殘留的水合肼、還原産物等物質。反複洗滌的次數視具體需要而定。
5.将洗滌後的石墨烯用真空幹燥器或烘箱将其幹燥。幹燥溫度一般不要超過60℃。
石墨烯幹燥過程
需要注意的是，在氧化石墨烯與還原的過程當中，一般需要将容器與操作界面先進行一定的清理與清潔，這樣才能避免一些雜質與污染源對石墨烯造成影響。
此外，在還原反應的過程中，控制反應的時間與溫度也尤為重要。
是以，為了避免在此過程中出現不良的反應導緻石墨烯失去結構特性，反應中的溫度與時間應當要把控好。
由此可見，化學氧化還原方法是石墨烯制備方法中比較常見的一種方法，這種方法的步驟不僅比其他方法要少，同時成本與産率都要更優于其他方法，能夠滿足不同領域對石墨烯的需求。
氧化還原反應
在此實驗的過程中，一定要注意安全，此外，為了避免制備過程中出現差異，導緻石墨烯的品質下降，大家都需要按照操作步驟來進行實驗。
還原氧化石墨烯的制備方法中，涉及到還原反應和石墨烯的結構表征等方面的公式，下面分别進行介紹。
還原反應公式：
還原反應公式
其中，$x$和$y$分别表示石墨烯中的碳和氧的原子數。反應過程中，氫氣将氧原子從氧化石墨烯上還原成水，并且還會生成為石墨烯材質。
示意圖
三、化學氣相沉積法
此外，除了以上制備方法還有其他的制備法，比如像化學氣相沉積法就是其中之一。CVD法制備石墨烯的原理是，在高溫和高壓下，通過氣相反應将石墨烯生長在金屬基底上。其主要步驟包括：
實驗步驟：
- 将金屬基底（一般為銅、鎳等）放入四氫呋喃（THF）中，去除表面氧化物等雜質。
化學氣相沉積
2.将已經清洗好的基底放入一個容易當中，然後加上适量的碳源氣體。（一般為甲烷、乙烯等），并通過加熱使金屬基底表面溫度達到石墨烯生長的最佳溫度（一般為1000-1100℃）。
3.在金屬基底表面形成石墨烯薄膜，薄膜厚度可通過反應時間和氣體流量來控制。一般反應時間為30分鐘到數小時不等。
4.将金屬基底取出，用化學溶液将金屬基底腐蝕，将石墨烯薄膜轉移到其他基底上。轉移方法一般有機械剝離法、化學剝離法等，轉移後可用SEM、TEM等儀器進行表征和分析。
反應過程示意圖
需要注意的是，CVD法制備石墨烯需要控制反應參數，如溫度、氣體流量、反應時間等，同時對基底的選擇和前處理也有一定要求。在實驗過程中需要遵循實驗室安全規範，嚴格操作，以確定制備出高品質的石墨烯。
在這個過程中，涉及到一些關鍵的公式，下面分别進行介紹。
沉積反應公式
CVD法中沉積反應的化學方程式如下：
在這個反應中，甲烷（CH4）作為碳源分子，通過熱解産生碳原子和氫氣。碳原子在金屬襯底表面上形成單層石墨烯。
熱力學平衡公式
CVD法中沉積反應的過程是受熱力學平衡控制的。反應過程中的化學勢變化可以用如下公式計算：
原子層沉積速率公式
在CVD法中，金屬襯底表面上的石墨烯層是由碳原子逐層沉積而成的。原子層沉積速率可用如下公式計算：
其中，$R_{\rm ALD}$表示原子層沉積速率，$V_{\rm eff}$表示反應物分子的有效體積，$\theta_{\rm surf}$表示表面覆寫率。該公式表明，原子層沉積速率與表面覆寫率呈非線性關系，随着表面覆寫率的增加，沉積速率逐漸減緩。
四、機械剝離法
機械剝離法是利用機械力将石墨片剝離成單層石墨烯。、這種剝離法在制備過程中，通常需要幾個步驟才能試下，具體步驟如下：
1、制備石墨晶體
首先，機械剝離法在制備石墨烯時會先制備一些品質較高的石墨晶體。石墨晶體通常是通過高溫石墨化反應合成得到的，其中涉及到的公式為：
2、機械剝離
将制備好的石墨晶體放置在适當的基底上，使用機械剝離裝置施加垂直于基底平面的力，使得石墨層逐漸剝離成單層石墨烯。機械剝離過程涉及到的公式相對較少，主要涉及到牛頓力學中的力學公式。
3、表征
對得到的石墨烯進行表征，包括結構表征和性質表征。結構表征可以使用掃描電鏡、透射電鏡等技術觀察石墨烯的形态和結構。
機械剝離示意圖
性質表征可以使用光電子能譜、拉曼光譜等技術分析石墨烯的實體和化學性質。
機械剝離法是一種簡單有效的制備石墨烯的方法，不需要複雜的實驗裝置和昂貴的化學試劑，是以具有較高的實用性。
機械剝離過程中主要涉及到牛頓力學的力學公式，但是在實驗中需要精細控制力度和速度等參數，以保證得到高品質的單層石墨烯。
機械剝離示意圖
總結：
在探索石墨烯制備之路上，人類曆經了漫長而曲折的道路。從最初的機械剝離法，到後來的氧化石墨烯還原法、化學氣相沉積法等，每一種制備方法都凝聚了科學家們的不懈努力和不斷創新的成果。
石墨烯因其獨特的結構和性質而備受矚目，被認為是“碳原子的奇迹”。
它不僅擁有出色的電學、光學、熱學等性能，而且具有極高的機械強度和柔韌性，具有廣泛的應用前景。從電子學、能源領域到生物醫學，石墨烯都有着巨大的潛力。
石墨烯剝離方法示意圖
然而，石墨烯的制備和應用仍面臨着許多挑戰。其中最大的挑戰之一是如何大規模、低成本地制備高品質的石墨烯。
在未來的研究中，科學家們需要繼續探索新的制備方法和應用領域，以推動石墨烯技術的發展和應用。
參考資料：
《淺談石墨烯的制備》
《石墨烯制備方法與概述》
《石墨烯—新型材料的新寵》
《石墨烯的制成與發現》