کربن، ششمین عنصر جدول تناوبی و نخستین عنصر از گروه 4(IV A) است. الماس و گرافیت رایج ترین آلوتروپ های کربن اند که، به ترتیب به علت سفتی و نرمی، کاربردهای گوناگونی دارند. کربن می تواند به صورت زنجیره های دراز در آید که به آن زنجیره ای شدن می گویند، این فرایند به تشکیل ترکیبات آلی گوناگونی منجر می شود، که زیست مولکول ها را نیز در بر می گیرد. اندازه کوچک و ساختار الکترونیکی کربن، آن را به عنصری ویژه با قابلیت تولید ساختارها چند بعدی با خواص جالب توجه تبدیل کرده است. نانو مواد کربن دار خواص و ساختارهای
منحصربه فردی دارند که می توانند مشخصه های چشمگیری به فوتوکاتالیستها اضافه کنند. گرافن به عنوان بیشترین مواد کربنی که اخیراً کشف شده اند، توجه پردامنه ای به سوی خود جلب کرده است.
گرافن یک آلوتروپ دو بعدی (2D) از اتم های کربن در یک پیکربندی شش ضلعی (لانه زنبوری) است. اتم‌های کربن در ساختار لانه زنبوری گرافن توسط نیروی کوالانسی با هم پیوند دارند. نیروی کوالانسی یکی از قویترین نیروهای بین اتمی موجود در طبیعت است به همین دلیل، گرافن با وجود نازکی، یکی از سخت‌ترین مواد به حساب می‌آید. گرافن‌های چند لایه با ضخامتی بسیار بسیار کمتر از فولاد، استحکامی تا 200 مرتبه بیشتر دارند.
چنانچه می‌دانید گرافن یک لایه از چیدمان اتم‌های کربن در یک صفحه یا به عبارتی در دو بعد است پس ضخامتی برابر با قطر اتم کربن دارد به سبب همین ضخامت نانومتری و علیرغم تراکم اتمی بالا، نور را به راحتی از خود عبور داده و شفافیت بسیار خوبی دارد.
از دیگر ویژگی‌های به شدت مورد توجه گرافن، خاصیت رسانندگی حرارتی و الکتریکی آن است؛ به عبارت دیگر هادی خیلی خوبی برای گرما و الکتریسیته است و به همین سبب می‌تواند جایگزین مناسبی برای فلز مس در صنعت هادی‌های الکتریکی و حرارتی باشد. دلیل این رسانندگی، مجددا به پیوند میان اتم‌های کربن در ساختار گرافن برمی‌گردد؛ به طوریکه آرایش ساختمانی اتم های کربن در صفحه گرافن و پیوند های کووالانسی قوی بین آنها، خواص مکانیکی و گرمایینامعمولی را فراهم می آورد. از آنجا که هر اتم کربن در این ساختار با سه اتم کربن دیگر پیوند می‌دهد یکی از الکترون‌های آزاد آن باقی می‌مانند که پیوندی برقرار نمی‌کند و اصطلاحا به آن بازوی آزاد اتم کربن گفته می‌شود. علت رسانندگی بالای گرافن که می‌تواند تا 100 برابر بیشتر از سیلیکون باشد؛ تعدد همین بازوهای آزاد و در واقع مجموعه‌ای از الکترون‌های آزاد موجود است.
گرافن، بلوک ها ساختمان پایه ای از مواد گرافیتی برای همه ابعاد را تشکیل می دهد که می تواند به فلورن صفر بعدی، نانو لوله یک بعدی و گرافیت سه بعدی خلاصه شود. این ماده، ازجمله قویترین مواد است که تاکنون اندازه گیری شدهاست. خواص نانو لوله ها کربن ناشی از وجود صفحات گرافن است. یک صفحه محدود گرافن کامل نمایانگر یک نوار گاف الکترونیکی صفر با الکترون های با آثار جرم صفر است، در جایی که نوارهای ظرفیت و رسانش به هم می رسند . این پدیده ، گرافن را یک ماده غیر عادی تبدیل کرده است که مانند فلز یا نیمرسانا رفتار نمی کند.
امروزه روشهای بسیار متنوعی برای ساخت گرافن بکار برده می شود که از متداول ترین آنها می توان به روش های پوسته پوسته کردن میکرومکانیکی، روش رشد همبافته، رسوب بخار شیمیایی (CVD) و روش های شیمیایی را نام برد. برخی روش های دیگری همانند شکافتن نانو لوله های کربنی برای تولید نانو نوارهای گرافن و ساخت با امواج ماکرویو نیز اخیرا بکاربرده شده اند.
سنتز اکسید گرافن:
اکسید گرافن، همان ساختار لایه ای گرافیتی است که فاصله بین این لایه ها به مراتب بیشتر و رنگ آن به دلیل اکسایش روشن تر شده است. اکسید گرافن در واقع، صفحه پایه گرافیت با عوامل آمیخته از گروه های اپوکسی و هیدروکسیل و نیز، گروه های کربونیل و کربوکسیل در لبه ها است که وجود این گروه ها منجر به آبدوستی ساختار اکسید گرافن می شود. اکسید گرافن نارسانای الکتریسیته است و حضور گروه های اکسیژندار، آن را از نظر حرارتی ناپایدار می کند. البته، خاصیت رسانایی الکتریسیته اکسید گرافن با احیا شیمیایی می تواند تا حد رسانایی گرافیت اولیه در ساختار گرافن بازیابی شود.
سنتز اکسید گرافن به روش شیمیایی به روش هامرز یا روش بهبود یافته هامرز انجام می شود. در این روش، ابتدا صفحات گرافیتی را منبسط می کنند و در حضور اسیدهای غلیظ و عوامل اکسیدکننده قوی، آن را به اکسید گرافیت تبدیل می کنند. این فرآیند با افزایش فاصله بین لایه ای همراه است که البته، مقدار این
بستگی دارد. فاصله زیاد بین لایه ها موجب می شود که مولکول های فاصله به میزان اکسایش و آب پوشانی آب بتوانند در این فضا نفوذ کنند و منجر به توزیع مناسب صفحات اکسید گرافنی در محیط آبی شوند. البته، روش های شیمیایی ممکن است منجر به تولید صفحات کوچکی از اکسید گرافن شوند که متاثر از نحوه برای باز کردن فاصله بین صفحات و تولید اکسید تولید این صفحات است. در بیشتر موارد از لرزش فراآوایی اکسید گرافن تک لایه کاملا توزیع شده استفاده می شود که موجب خرد شدن صفحات خواهد شد. صفحات حاصل آنقدر کوچک هستند (از صدها نانومتر تا چند میکرون) که برای استفاده در ابزارهای الکتریکی مناسب نیستند. می توان برای بهبود این مشکل از روش های دیگر مانند همزن مغناطیسی به منظور جدا نمودن صفحات از یکدیگر استفاده نمود.