300萬層石墨烯疊出1毫米厚度！中新科學家研發成功環保剝離製備技術

摘要：石墨烯一層層疊起來就是石墨，厚1毫米的石墨大約包含300萬層石墨烯。鉛筆在紙上輕輕划過，留下的痕迹就可能是幾層甚至僅僅一層石墨烯。因其完美的二維結構，成為了許多創新產品的功能性添加劑。

提起石墨烯，最出名的大概就是2010年兩位科學家憑藉對石墨烯的深入研究，分享諾貝爾物理學獎。近日，復旦大學傳出信息，該校和新加坡國立大學的研究人員合作研發，尋找到了全新的石墨烯高效率製備，這一技術核心將非常容易「放大」到產業。

值得一提的是，與傳統的發表論文、企業合作路徑不同，課題組完全反著來——2013年創新成果，2014年申請專利，2015年專利轉讓國內一家企業後，才於1月8日在線發表於《自然?通訊》。課題組負責人之一，復旦大學高分子科學系、聚合物分子工程國家重點實驗室盧紅斌笑著說，「好東西還是要放一放的，沉澱一下可能更好。」

製備的石墨烯原子相透射電鏡（a）、拉曼光譜（b）、X射線光電子能譜（c）、大範圍原子力顯微鏡照片（d）；石墨烯厚度（e）和尺寸統計（f）圖。 董雷攝

很少有人知道，石墨烯不僅僅存在於諾貝爾獎名冊上，也早已與生活息息相關。本來就存在於自然界，只是難以剝離出單層結構。石墨烯一層層疊起來就是石墨，厚1毫米的石墨大約包含300萬層石墨烯。鉛筆在紙上輕輕划過，留下的痕迹就可能是幾層甚至僅僅一層石墨烯。因其完美的二維結構，成為了許多創新產品的功能性添加劑——加入特殊高分子塗料後，可憑藉隔絕性能，延長塗料塗裝壽命；加入電池做導電劑，同樣因其二維結構，讓電子傳輸更便利，流得更快了，大大提升充電速度；若加入一些纖維和電熱裝置，其特殊的導電、導熱性能，同樣能讓產品性能提升一個台階。

如此有用的東西，其更好的製備方法也成為學界和產業共同競逐的目標。英國曼徹斯特大學的兩位科學家安德烈·傑姆和克斯特亞·諾沃消洛夫發現，他們能用一種非常簡單的方法得到越來越薄的石墨薄片。他們從高定向熱解石墨中剝離出石墨片，然後將薄片的兩面粘在一種特殊的膠帶上，撕開膠帶，就能把石墨片一分為二。不斷地這樣操作，於是薄片越來越薄，最後他們得到了僅由一層碳原子構成的薄片，這就是石墨烯。這以後，製備石墨烯的新方法層出不窮，經過5年的發展，人們發現，將石墨烯帶入工業化生產的領域已為時不遠了。

盧紅斌教授給了石墨烯三個「最」：現有材料中厚度最薄，僅0.335納米；強度最高，是鋼的100倍；導熱性最好，比金屬銀還高10倍以上，此外其電子遷移率極高，比硅還高2個數量級。這種新型二維材料，在智能裝備、航空航天、能源儲存和環境治理等諸多領域應用潛力巨大，是重要的戰略新興材料。然而，如何實現高質量石墨烯的高效率、規模化製備一直是制約其大規模應用的關鍵難題。

其實，石墨烯是天然存在於自然界中的，製備的理想解決方案是從天然鱗片石墨出發，將其在特定溶劑液相中剝離成石墨烯。換句話說，由於石墨烯是疏水的，需要在剝離的環境液體中加入大量活性劑，否則難以剝離。常見做法，往往製備1噸石墨烯，需要加入3噸高錳酸鉀等氧化劑，讓其變為氧化石墨烯，剝離後再還原，這一過程中氧化、還原，以及清洗產生的廢水不少，而且也讓石墨烯失去了一些特有的性質。

如何克服這些問題？該課題組研究人員採用一種非穩定分散的策略，通過在石墨烯表面引入極少量的可電離含氧官能團，實現了在極高濃度下的快速、高產率剝離，剝離產物90%以上為單層石墨烯，且晶格缺陷少，從而有效解決了石墨烯規模化應用中的儲存和運輸問題。此外，該方法製備的石墨烯水相漿料表現出了良好的流變特性，可直接通過3D列印製備各種形狀的石墨烯氣凝膠，從而為石墨烯在儲能、環境治理、多功能複合材料等領域的應用開闢了新途徑。

(來源：

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作者：

彭德倩)

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