石墨烷（英语：Graphane）是一种石墨烯衍生物，为等量碳、氢两种元素组成的平面状聚合物，可透过电化学的氢化处理单层或多层石墨烯、或者有层间共价键的热解碳制得。研究者以透射电子显微镜研究部分氢化石墨烯的性质，认为石墨烷作为单层材料在能隙等特性上性质多变。
| 石墨烷 | |
|---|---|
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| 识别 | |
| CAS号 | 1221743-01-6 
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| 性质 | |
| 化学式 | (CH)n |
| 若非注明，所有数据均出自标准状态（25 ℃，100 kPa）下。 | |
结构
根据2003年的集团展开推算，掺杂氢的石墨烯衍生物，以碳氢1:1比例的结构最稳定[1]。2007年，研究发现这种物质理论上比苯或环己烷一类的烃还稳定；因为它是将石墨烯完全氢化的理论产物，因而称为“石墨烷”[2]。石墨烷的立体结构类似于环己烷，碳-氢键的sp3杂化为让环张力最小，它最稳定的结构并非平面，有椅型、船型两种构象，与石墨烯的正六边形镶嵌平面结构不同。与环己烷不同之处在于，石墨烷的两种构象不能互相转化，属于结构异构的同分异构体。“船型构象”中，氢原子在平面正反两面成对交替；而“椅型构象”中，相邻碳原子各自键结的氢原子在不同侧。除此之外，也有上述两种构象的混合形式；“椅型构象”是石墨烷最稳定的结构，这点与环己烷相同[3][4]。
尽管弯曲的化学键会使晶格收缩，据推算实际上晶格反而会增长30%，这是因为在碳-碳键的单键（1.52Å）比原先共振键（1.42Å）来得长[4][5]。因此与最稳定、键长最长的椅型石墨烷的理想状态对比，实际观察到的晶格收缩，可归因于石墨烷在局部出现稳定的“扭船型”构象；研究者发现，石墨烷在相异区域的键长差异，即对应局部构造中不同类的构象[4]。任何出现氢化构象变换的区域，都会使晶格常数局部收缩大约2%[6]。
性质
将石墨烯样品置于300°C的氩气氛加热4小时可去除杂质，然后放在位于两个铝电极间，低压0.1毫巴、含有氩90%与氢10%的直流冷等离子体里。在样品距离放电区30公分的条件下，可使氢分子电离成个别氢原子，同时避免离子能量过高而破坏样品；实务操作上，等离子体氢化反应通常在两个小时后达到饱和。除了以石墨烯为反应物之外，如果以高定向热解石墨制备，可以用机械剥离法分离产物。因为石墨烯可随机出现纳米级别皱纹，让基质上的氢化反应可能只在石墨烯一面进行，保有原有的六重对称；而皱纹的随机分布，使单面氢化的石墨烷结构比双面氢化的还要无序[7]。氢化石墨烯反应为可逆反应，将石墨烷退火处理可让氢发生扩散作用，让产物又变回石墨烯，相关动力学机制可以模拟出来[8][9]。若氢化不完全，石墨烯不会转变成化学键饱和的石墨烷，而会具有“类石墨烷”结构[7][10]。
因为石墨烷的原子键结为单键，没有发生共振现象，因此是绝缘体[2]；石墨烯理论上存在异构体五边石墨烯，其相应氢化产物“五边石墨烷”同样属于绝缘体[11]。
应用潜力
如果石墨烯被部分改性成石墨烷，会降低电子迁移率与电导率，同时使局部区域的能隙增大，形成一种石墨烯基二维异质结构；这是一种自成一类的材料体系，一些性能尚未确定，潜在应用包括石墨烯还原和加氢钝化、表面蚀刻等等[12]。根据BCS理论，p型掺杂的石墨烷理论上具高温超导性质，超导临界温度可达90K（-183°C）。此外，石墨烷也可能可用于储氢技术[2][13]。晶格常数依温度而变，而氢化可让变化减小，使得石墨烷亦有潜力用于精密仪器领域[6]。
参考来源
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