石墨烷

石墨烷（英語：Graphane）是一種石墨烯衍生物，為等量碳、氫兩種元素組成的平面狀聚合物，可透過电化学的氢化處理單層或多層石墨烯、或者有層間共价键的熱解碳（英语：Pyrolytic carbon）製得。研究者以透射电子显微镜研究部分氢化石墨烯的性質，認為石墨烷作為單層材料（英语：Single-layer materials）在能隙等特性上性質多變。 根據2003年的簇展開（英语：Cluster expansion）推算，摻雜氫的石墨烯衍生物，以碳氫1:1比例的結構最穩定。2007年，研究發現這種物質理論上比苯或环己烷一類的烃還穩定；因為它是將石墨烯完全氢化的理論產物，因而稱為「石墨烷」。石墨烷的立體結構類似於環己烷，碳-氢键的sp3杂化為讓環張力最小，它最穩定的結構並非平面，有椅型、船型兩種構象，與石墨烯的正六邊形鑲嵌平面結構不同。與環己烷不同之處在於，石墨烷的兩種構象不能互相轉化，屬於结构异构的同分異構物。「船型構象」中，氫原子在平面正反兩面成對交替；而「椅型構象」中，相鄰碳原子各自鍵結的氫原子在不同側。除此之外，也有上述兩種構象的混合形式；「椅型構象」是石墨烷最穩定的結構，這點與環己烷相同。 儘管彎曲的化學鍵會使晶格收縮，據推算實際上晶格反而會增長30%，這是因為在碳-碳键的單鍵（1.52Å）比原先共振鍵（1.42Å）來得長。因此與最穩定、鍵長最長的椅型石墨烷的理想狀態對比，實際觀察到的晶格收縮，可歸因於石墨烷在局部出現穩定的「扭船型」構象；研究者發現，石墨烷在相異區域的鍵長差異，即對應局部構造中不同類的構象。任何出現氫化構象變換的區域，都會使晶格常數局部收縮大約2%。 將石墨烯樣品置於300°C的氩氣氛加熱4小時可去除雜質，然後放在位於兩個鋁电极間，低壓0.1毫巴、含有氬90%與氫10%的直流冷等离子体裡。在樣品距離放電區30公分的條件下，可使氫分子電離成個別氫原子，同時避免離子能量過高而破壞樣品；實務操作上，等离子体氫化反應通常在兩個小時後達到飽和。除了以石墨烯為反應物之外，如果以高定向熱解石墨（英语：Highly oriented pyrolytic graphite）製備，可以用機械剝離法分離產物。因為石墨烯可隨機出現奈米級別皺紋，讓基質上的氫化反應可能只在石墨烯一面進行，保有原有的六重對稱；而皺紋的隨機分布，使單面氫化的石墨烷結構比雙面氫化的還要無序。氫化石墨烯反應為可逆反應，將石墨烷退火處理可讓氫發生扩散作用，讓產物又變回石墨烯，相關動力學機制可以模擬出來。若氫化不完全，石墨烯不會轉變成化學鍵飽和的石墨烷，而會具有「類石墨烷」結構。 因為石墨烷的原子鍵結為單鍵，沒有發生共振現象，因此是絕緣體；石墨烯理論上存在異構物五邊石墨烯，其相應氫化產物「五邊石墨烷」同樣屬於絕緣體。 如果石墨烯被部分改性成石墨烷，會降低电子迁移率與電導率，同時使局部區域的能隙增大，形成一種石墨烯基二維異質結構；這是一種自成一類的材料體系，一些性能尚未確定，潛在應用包括石墨烯還原和加氫鈍化、表面蝕刻等等。根據BCS理论，p型摻雜的石墨烷理論上具高溫超導性質，超導臨界溫度可達90K（-183°C）。此外，石墨烷也可能可用於儲氫技術。晶格常數依溫度而變，而氫化可讓變化減小，使得石墨烷亦有潛力用於精密儀器領域。 Sluiter, Marcel; Kawazoe, Yoshiyuki. Cluster expansion method for adsorption: Application to hydrogen chemisorption on graphene. Physical Review B. 2003, 68 (8): 085410. Bibcode:2003PhRvB..68h5410S. doi:10.1103/PhysRevB.68.085410.  Sofo, Jorge O.; Chaudhari, Ajay S.; Barber, Greg D. Graphane: A two-dimensional hydrocarbon. Physical Review B. 2007, 75 (15): 153401. Bibcode:2007PhRvB..75o3401S. S2CID 101537520. arXiv:cond-mat/0606704 . doi:10.1103/PhysRevB.75.153401.  Pumera, Martin; Wong, Colin Hong An. Graphane and hydrogenated graphene. Chemical Society Reviews. 2013, 42 (14): 5987–5995. ISSN 0306-0012. PMID 23686139. doi:10.1039/c3cs60132c （英语）.  含有連結內容需訂閱查看的頁面 (link) Samarakoon, Duminda K.; Wang, Xiao-Qian. Chair and Twist-Boat Membranes in Hydrogenated Graphene. ACS Nano. 2009-12-22, 3 (12): 4017–4022 [2024-08-25]. ISSN 1936-0851. PMID 19947580. doi:10.1021/nn901317d. （原始内容存档于2023-05-05） （英语）.  Zhou, Chao; Chen, Sihao; Lou, Jianzhong; Wang, Jihu; Yang, Qiujie; Liu, Chuanrong; Huang, Dapeng; Zhu, Tonghe. Graphene's cousin: the present and future of graphane. Nanoscale Research Letters. 2014-01-13, 9 (1): 26. ISSN 1556-276X. PMC 3896693 . PMID 24417937. doi:10.1186/1556-276X-9-26 .  Feng Huang, Liang; Zeng, Zhi. Lattice dynamics and disorder-induced contraction in functionalized graphene. 应用物理学杂志. 2013, 113 (8): 083524. Bibcode:2013JAP...113h3524F. doi:10.1063/1.4793790.  Elias, D. C.; Nair, R. R.; Mohiuddin, T. M. G.; Morozov, S. V.; Blake, P.; Halsall, M. P.; Ferrari, A. C.; Boukhvalov, D. W.; Katsnelson, M. I.; Geim, A. K.; Novoselov, K. S.; et al. Control of Graphene's Properties by Reversible Hydrogenation: Evidence for Graphane. Science. 2009, 323 (5914): 610–3. Bibcode:2009Sci...323..610E. PMID 19179524. S2CID 3536592. arXiv:0810.4706 . doi:10.1126/science.1167130.  Novoselov, Konstantin Novoselov. Beyond the wonder material. Physics World. 2009, 22 (8): 27–30. Bibcode:2009PhyW...22h..27N. doi:10.1088/2058-7058/22/08/33.  Huang, Liang Feng; Zheng, Xiao Hong; Zhang, Guo Ren; Li, Long Long; Zeng, Zhi. Understanding the Band Gap, Magnetism, and Kinetics of Graphene Nanostripes in Graphane. 物理化学期刊C. 2011, 115 (43): 21088–21097. doi:10.1021/jp208067y.  Ilyin, A. M.; Guseinov, N. R.; Tsyganov, I. A.; Nemkaeva, R. R.; et al. Computer simulation and experimental study of graphane-like structures formed by electrolytic hydrogenation. Physica E: Low-dimensional Systems and Nanostructures. 2011, 43 (6): 1262–1265. Bibcode:2011PhyE...43.1262I. doi:10.1016/j.physe.2011.02.012.  Einollahzadeh, Hamideh; Fazeli, Seyed Mahdi; Dariani, Reza Sabet. Studying the electronic and phononic structure of penta-graphane. Science and Technology of Advanced Materials. 2016, 17 (1): 610–617. PMC 5102001 . PMID 27877907. arXiv:1511.06850 . doi:10.1080/14686996.2016.1219970.  趙雯琪、張岱、崔明慧、杜穎、張樹宇、區瓊榮. 等离子体对石墨烯的功能化改性 (PDF). 物理学报. 2021, 70 (9): 5, 7 [2024-08-25]. doi:10.7498/aps.70.20202078. 原始内容存档于2022-02-01.  Savini, G.; Ferrari, A. C.; Giustino, F. First-principles prediction of doped graphane as a high-temperature electron-phonon superconductor. 物理评论快报. 2010, 105 (3): 037002. Bibcode:2010PhRvL.105c7002S. PMID 20867792. S2CID 118466816. arXiv:1002.0653 . doi:10.1103/PhysRevLett.105.037002.