你所不知道的石墨烯

【科普小博士】

作者：毋偉（北京化工大學教授）

石墨烯是近年來最熱的新材料之一，因為具有很好的導電、導熱性，強度高，比表面積大，石墨烯預期在計算機晶元、電子材料、導熱材料、高性能複合材料、環境處理、催化劑載體等諸多領域具有潛在應用。

什麼是石墨烯？其實，將石墨的層狀結構無限剝離，直到原子級厚度，該薄層碳材料的性質與原來的石墨有極大的不同，該薄層碳材料就是石墨烯。2004年，英國曼徹斯特大學物理學家安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫成功地從石墨中剝離出石墨烯，並表徵了它的性質，兩人也因「在二維石墨烯材料的開創性實驗」，共同獲得2010年諾貝爾物理學獎。

石墨烯的製備主要有微機械分離法、氣相合成法、化學氧化還原法以及液相剝離法等。安德烈·海姆是用膠帶從石墨上剝下少量單層石墨烯片。該法雖然可以獲得質量較好的單層和雙層石墨烯，能部分滿足實驗室的研究需要，但產量和效率過低。

目前，通過化學氣相沉積法在絕緣表面或金屬表面生長石墨烯，是製備高質量石墨烯薄膜的重要手段，其所用的原料多為甲烷等低碳烯烴。這種方法能夠生長出大面積、高質量的石墨烯膜，但是條件比較苛刻，過程比較複雜，轉移較困難。而通過有機合成法可以製備具有確定結構而且無缺陷的石墨烯納米帶，並可以進一步對石墨烯納米帶進行功能化修飾。

科學家還可以從碳納米管出發製備石墨烯。利用硫酸和氧化劑使多壁碳納米管開鏈製備石墨烯納米帶，石墨烯帶的寬度取決於碳納米管的直徑，然後用肼還原可恢復其電學性能。該石墨烯帶可用作導電或半導體薄膜，有望成為光伏單晶硅的廉價替代物。

現在最易工業化製作石墨烯的一種工藝是氧化還原法。先將石墨粉分散在強氧化性混合酸中，例如濃硝酸和濃硫酸，然後加入高錳酸鉀或氯酸鉀等強氧化劑得到氧化石墨，再經過剝離處理得到氧化石墨烯，最後通過還原得到石墨烯。

我國在石墨烯領域的研究起步與發達國家相比較晚，但在近些年的努力下，文獻發表量和專利數量都已經位居全球首位。2015年5月，國家金融信息中心指數研究院發布的全球首個石墨烯指數評價結果顯示，我國全球石墨烯產業綜合發展實力位列全球第3位，僅次於美國和日本。

從石墨烯專利技術申請領域看，2013年之前，石墨烯相關研究主要集中在製備領域。隨著製備技術的完善與成熟，石墨烯專利申請不斷向下游應用拓展，並開拓出新的領域。2013年至2015年間，全球新增大量關於複合纖維、塗層、功能薄膜、水處理等新興領域的石墨烯技術專利申請，其中關於石墨烯基複合材料的專利申請幾乎翻番。

當前，石墨烯有幾個重要的應用方向，比如在儲能領域，製作超級電容器，太陽能電池等；在複合材料方面的應用，包括塑料、橡膠、塗料、阻燃等；在電子領域的應用，比如替代多晶硅。相信未來隨著技術的進步，石墨烯會有更廣闊的市場。

《光明日報》（ 2017年06月29日 13版）

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