石墨烯材料及其應用

曹宇臣，郭鳴明

（中國石化 北京化工研究院，北京 100013）

石墨烯材料及其應用

曹宇臣，郭鳴明

（中國石化 北京化工研究院，北京 100013）

回顧了石墨烯的發(fā)現(xiàn)與發(fā)展，論述了石墨烯材料及其應用以及目前面臨的機遇與挑戰(zhàn)；簡單地討論了石墨烯材料的電學、力學和光學性能，重點介紹了最近發(fā)現(xiàn)的石墨烯材料的膠體化學性質(zhì)、石墨烯無金屬催化劑方面的原理及其應用；最后展望了石墨烯有可能帶來的更加光明的未來。

石墨烯材料；石墨烯應用；膠體化學性質(zhì)；無金屬催化劑

2004年，Science雜志首次報道了曼徹斯特大學的Andre Geim和Konstantin Novoselov成功分離出穩(wěn)定的石墨烯，并論述了石墨烯材料的基本性質(zhì)［1］。他們關(guān)于石墨烯的研究被授予2010年諾貝爾物理獎，轟動世界，推動了石墨烯材料的研究，促進了石墨烯在物理、化學、材料、生物醫(yī)學和環(huán)境方面的研究。 石墨烯商業(yè)化的新產(chǎn)品也不斷出現(xiàn)。多國政府把石墨烯材料立為國家重點發(fā)展對象，關(guān)于石墨烯材料的投資也越來越多。近年來關(guān)于石墨烯的研究報道呈指數(shù)上升，同時很多疑問和困惑也相繼產(chǎn)生。

本文旨在簡單回顧石墨烯的發(fā)現(xiàn)過程，簡要論述了石墨烯材料的重要性質(zhì)及其應用、目前最活躍的石墨烯應用領域以及面臨的機遇與挑戰(zhàn)，并展望了石墨烯可能的發(fā)展領域及未來。

1 歷史回顧

在人類的發(fā)展過程中，材料起到非常重要的作用。1859年，Brodie就已意識到熱還原氧化石墨的高度層結(jié)構(gòu)。石墨的結(jié)構(gòu)是1916年由粉末衍射的方法解決的，1924年從單晶衍射確定。制備單層石墨烯的研究一度（1934—2004年）陷入低潮。因為在1934年，凝聚態(tài)物理泰斗、1962年諾貝爾物理獎得主Landau提出，準二維晶體材料由于其本身的熱力學不穩(wěn)定性，在室溫環(huán)境下會迅速分解或拆解。1966年，Mermin和Wagner提出Mermin-Wagner理論，指出長的波長起伏也會使長程有序的二維晶體受到破壞。因此，二維晶體石墨烯只是作為研究碳質(zhì)材料的理論模型，一直未受到廣泛關(guān)注。

20世紀70年代有了單層石墨外延生長在其他材料上的報道。然而，外延石墨烯和襯底之間存在明顯的電荷轉(zhuǎn)移，通過TEM在材料中也觀察到了石墨單層。石墨薄膜的機械剝離始于1990年［2］，但在2004年前沒有得到層數(shù)少于50層的石墨納米片。2004年，Geim和Novoselov首次成功分離出穩(wěn)定的單層石墨烯，分離方法極為簡單，他們把石墨薄片黏在膠帶上，把有黏性的一面對折，再把膠帶撕開，這樣石墨薄片就被一分為二。原則上通過不斷地重復這個過程，片狀石墨會越來越薄，最終可以得到一定數(shù)量的石墨烯［1］。很多人會問或曾經(jīng)問過，Landau和Geim誰正確？都正確！2007年，Meyer等［3］在TEM中利用電子衍射對石墨烯進行研究時發(fā)現(xiàn)，當電子束偏離石墨烯表面法線方向入射時，可觀察到試樣的衍射斑點隨入射角的增大而不斷展寬，且衍射斑點到旋轉(zhuǎn)軸的距離越遠，其展寬越嚴重。這一現(xiàn)象在單層試樣中最為明顯，在雙層試樣中顯著減弱，而在多層試樣中則觀察不到。Meyer等對他們觀察到的這一現(xiàn)象提出了理論模型：石墨烯并不是絕對的平面，而是存在一定的小山丘似的起伏（見如圖1）。隨后，Meyer等發(fā)現(xiàn)單層石墨烯表面的褶皺程度明顯大于雙層石墨烯，褶皺程度隨石墨烯的層數(shù)而減小。Meyer等推測這是因為單層石墨烯為降低其表面能，由二維向三維形貌轉(zhuǎn)換，褶皺是二維石墨烯存在的必要條件。Geim和Novoselov關(guān)于石墨烯的工作從2004年首次發(fā)表到獲得諾貝爾獎只有6年，由于制備方法看似相對簡單，所以一段時間內(nèi)有很多學者對這項工作提出了種種質(zhì)疑。持這種質(zhì)疑態(tài)度的人當時沒能領略這項重大發(fā)現(xiàn)的物理意義。Geim等的剝離技術(shù)直接導致石墨烯量子霍爾效應在室溫下的首次觀察［4-7］，并為石墨烯理論預測的無質(zhì)量狄拉克費米子Berry相位提供了直接的證據(jù)。這種效應由Geim課題組、Kim和張遠波課題組首次同時報道，論文［4-5］出現(xiàn)在2005年同一期《Nature》雜志上。石墨烯的分數(shù)量子霍爾效應的報道首次出現(xiàn)在2009年同一期《Nature》雜志上［8-9］。量子霍爾效應于1980年被Klitzing首次發(fā)現(xiàn)，1985年獲諾貝爾物理獎。分數(shù)量子霍爾效應于1982年被St?rmer和Tsui（崔琦）首次從實驗中發(fā)現(xiàn)，1983年Laughlin首次單獨給出理論推導，1998年三人獲諾貝爾物理獎。

拓撲絕緣體是21世紀初發(fā)現(xiàn)的一種不同于導體和絕緣體的新的凝聚態(tài)。2006年，Bernevig等提出拓撲絕緣體理論的材料實現(xiàn)方案［10］；2007年，在實驗中證實了這一預言［11］。這一工作被《Science》雜志評為2007年十大科學進展之一。三維拓撲絕緣體于2009年由張首晟課題組［12］和Hasan課題組［13］同時發(fā)現(xiàn)。一般認為石墨烯中自旋軌道耦合太小，不足以打開能隙，讓石墨烯成為拓撲絕緣體。

圖1 石墨烯的結(jié)構(gòu)Fig.1 Graphene structure.

2 石墨烯的研究現(xiàn)狀

2.1 石墨烯的主要制備方法

目前制備石墨烯主要通過“自上而下”（Top-Down）和“自下而上”（Bottom-up）途徑，其中Top-Down 途徑主要有微機械剝離、液相剝離、氧化還原法、碳納米管縱向剪切法等；Bottom-up途徑主要包括化學氣相沉積、外延生長、有機合成等。有些學者以機械剝離法為基礎，結(jié)合球磨法原理進行工藝改進，總結(jié)出了機械球磨剝離法。Jeon等［14-15］用干冰和石墨一同球磨。除了降低球磨過程中產(chǎn)生的熱量外，所得石墨烯只在邊緣形成羧基，二維平面內(nèi)的結(jié)構(gòu)保存完整。這種方法的石墨烯具有很好的溶解性，同時保持良好的力學性能、電學性能和催化性能。這種石墨烯及其形成的高分子復合材料通過加熱可脫去二氧化碳，使得力學性能和電學性能更好。

氧化還原法是通過對氧化石墨烯（GO）的化學還原獲得石墨烯的一種方法。相較于其他方法，盡管氧化還原法制得的石墨烯具有不同程度的結(jié)構(gòu)缺陷，但由于其前體GO的制備簡單高效、成本較低且具有較高的產(chǎn)率，是最有希望成為大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)石墨烯的方法。但由于目前的工藝水平，氧化過程無法保證充分有效的插層，從而對下一步的剝離產(chǎn)生影響，因而最后得到的石墨烯微片厚度最小只能達到幾十納米，且加入的強酸、強堿等插層物質(zhì)會破壞石墨烯的sp2結(jié)構(gòu)，影響其綜合性能。因此根據(jù)功能化需要，進一步研究氧化、剝離及還原過程的工藝參數(shù)對功能化石墨烯的應用非常重要。最近，Peng等［16］提出利用高鐵酸鉀代替高錳酸鉀，避免了重金屬離子和有毒氣體的產(chǎn)生，硫酸也可以回收重復使用，成功實現(xiàn)了高效、環(huán)保地制備GO。

嚴格意義上，還原的GO（RGO）并不等同于石墨烯，但二者有許多相似之處，因而受到需要大規(guī)模使用石墨烯的領域（如能源存儲）的青睞。GO的還原途徑主要有化學還原、熱還原、電化學還原等幾種，不同的還原方法可以得到在表面形貌、電性能、熱性能和機械性能等方面不同程度類似于石墨烯的產(chǎn)物。常見的GO還原法有化學還原法、熱還原法和電還原法。向GO懸浮液中加入還原劑進行還原的方法被稱作化學還原法，相較于其他大多數(shù)還原劑，水合肼因為不與水發(fā)生反應而更具吸引力，是最常用的一種還原劑，其他還原劑包括硼氫化鈉、對苯二酚、氣態(tài)氫和強堿溶液等。盡管還原劑在還原過程中會在所得片層中引入雜原子（主要是氮元素），但化學還原法因為具有可大規(guī)模制取RGO的特點而成為目前最為廣泛使用的一種制備方法。直接加熱氧化石墨至1 000 ℃以上，不穩(wěn)定的含氧基團將會受熱分解產(chǎn)生二氧化碳等氣體，片層間形成的巨大氣壓將堆疊的片層撐開，實現(xiàn)對氧化石墨片層的還原與剝離，這一過程即為熱還原法。熱還原法的實驗過程較為簡單，但熱剝離過程釋放的二氧化碳對片層結(jié)構(gòu)的破壞較強，所得RGO片層的結(jié)構(gòu)缺陷程度較大，導致產(chǎn)物的導電性和機械性能下降。

電還原法是最近興起的一種綠色還原GO的方法，它依賴于電化學移除含氧基團，因而可以避免高危還原劑（如水合肼）的加入和副產(chǎn)物的產(chǎn)生，但該方法的機理目前尚不明確。電還原法具有反應溫度低、安全、環(huán)保等優(yōu)點，且所得產(chǎn)物還原程度高、導電性優(yōu)良，美中不足的是目前這種方法的產(chǎn)量較低，無法大規(guī)模制備?，F(xiàn)在已有很多文章報道GO的綠色還原方法。石墨烯的制備重點應是規(guī)?；苽洹⒕G色制備和低價制備。以石油重質(zhì)油及生物基為原料的石墨烯也是未來的一個研究熱點。

目前，國內(nèi)市場的石墨烯材料可分為兩類：一類是由單層或多層石墨烯構(gòu)成的薄膜，另一類是由多層石墨烯（10層以下）構(gòu)成的微片，也稱為石墨烯粉體。石墨烯薄膜又細分為單晶薄膜和多晶薄膜，其中，單晶薄膜可用于制造集成電路等電子器件，是繼硅材料之后的新一代電子芯片候選材料，它的成功開發(fā)也許會引來新的技術(shù)革命，有望在把20世紀作為硅世紀的基礎上把21世紀變成碳世紀，但其產(chǎn)業(yè)化尚需多年的技術(shù)攻關(guān)。多晶薄膜則有望在3～5年內(nèi)實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化應用，可替代氧化銦錫（ITO）玻璃用于制造觸摸屏（特別是柔性電子產(chǎn)品）和其他需要透明導電材料的應用領域。石墨烯粉體也可細分為兩類：一類是較為純粹的石墨烯微片，含碳量大于90%甚至更高，由一層或多層石墨烯組成，呈高度膨松狀，具有石墨烯優(yōu)良的導電導熱性，與傳統(tǒng)的母體材料混合后，可用于改善材料的導電和導熱等特性，主要用于航空航天、電磁屏蔽、動力電池/超級電容器材料、導電導熱、氣體阻隔、功能聚合物涂層、復合增強材料、海水淡化、污水處理等多個領域；另一類是功能化的石墨烯微片，通過在石墨烯表面引入化學功能性基團，可將其應用在藥物、檢測和催化劑等特殊領域。

2.2 石墨烯的主要特性

石墨烯獨特的二維晶體結(jié)構(gòu)賦予石墨烯很多優(yōu)異的性能，它擁有巨大的比表面積（2 630 m2/g）、高電子遷移率（200 000 cm2/（V·s））、高楊氏模量（約1.0 TPa）、高熱導率（約5 000 W/（m·K））、高光學透過率（約97.7%）和杰出的導電性，這些性能令石墨烯在鋰電池、超級電容器、傳感器件、納米復合材料、催化劑等諸多領域具有良好的應用前景［17］。

2.2.1 電子效應

石墨烯在室溫下的載流子遷移率約為15 000 cm2/（V·s），這一數(shù)值超過了硅材料的10倍，是目前已知載流子遷移率最高的物質(zhì)銻化銦（InSb）的兩倍以上。在某些特定條件下，如低溫下，石墨烯的載流子遷移率甚至可高達250 000 cm2/（V·s）。與很多材料不一樣，石墨烯的電子遷移率受溫度變化的影響較小，研究人員發(fā)現(xiàn)，50～500 K之間的任何溫度下，單層石墨烯的電子遷移率都在15 000 cm2/（V·s）左右?？茖W家們發(fā)現(xiàn)，石墨烯中的載流子遵循一種特殊的量子隧道效應，在碰到雜質(zhì)時不會產(chǎn)生背散射，這是石墨烯具有超強導電性以及很高的載流子遷移率的原因。石墨烯中的電子與光子均沒有靜止質(zhì)量，它們的速度是和動能沒有關(guān)系的常數(shù)。這些奇特的電子效應使石墨烯在電子領域具有非常廣闊的應用潛力，未來有可能取代硅，制備耗電更少、更易散熱、性能更優(yōu)的電子半導體器件。

信息行業(yè)的發(fā)展完全得益于過去五六十年的基礎物理的發(fā)現(xiàn)，如今芯片越來越小，散熱問題卻無法解決，已構(gòu)成阻礙信息業(yè)技術(shù)發(fā)展的瓶頸。而拓撲絕緣體就是內(nèi)部絕緣、表面導電的絕緣體，它將在信息業(yè)中得到重要應用，而且正從科學預言轉(zhuǎn)化為技術(shù)。1980年發(fā)現(xiàn)量子霍爾效應的實驗條件是18 T的強磁場和1.5 K的低溫；1982年發(fā)現(xiàn)分數(shù)量子霍爾效應的實驗條件是20 T的強磁場和0.5～25 mK的低溫。2006年張首晟研究組［10］首先巧妙地利用電子的除粒子性外的另一特性——自旋性，提出利用電子和軌道耦合理論實現(xiàn)拓撲絕緣體材料的方案。2007年，首次在沒有強磁場和室溫條件下觀察到了量子霍爾效應［11］。這種量子霍爾效應后來被稱為自旋量子霍爾效應。石墨烯是一種零隙半導體，因為它的導帶和價帶在狄拉克點相遇，要在室溫下觀測到石墨烯中的量子霍爾效應需要極強的磁場。所以，室溫下石墨烯中的量子霍爾效應目前還沒有實際的用處。

2.2.2 力學特性

石墨烯是目前已知強度最高的材料之一，同時它還具有很好的韌性，且可以彎曲，石墨烯的理論楊氏模量達1.0 TPa，固有的拉伸強度為130 GPa。而利用氫等離子改性的還原石墨烯也具有非常好的強度，平均模量可達0.25 TPa，不過它的斷裂強度并沒有報道。此外，目前人們利用單個GO片組裝成了一種紙狀材料。這種材料的平均彈性模量和最大斷裂強度分別達到了32 GPa和120 MPa。通過石墨烯片間的化學交聯(lián)作用，GO紙狀材料的機械性能得到了很大程度的提高。與過濾方法制備的GO紙狀材料相比，通過在氣液界面蒸發(fā)GO的水溶膠得到的自組裝GO紙狀材料的模量稍低，但拉伸強度較高。用肼還原的方法來控制還原石墨烯的分散，以此來制備堆疊的或重疊的還原石墨烯紙狀材料，這種材料經(jīng)退火處理后，它的硬度和拉伸強度遠高于目前制備的GO紙狀材料。石墨烯優(yōu)異的力學性能使其在制備高強度材料領域具有廣闊的應用前景，還可作為壓力傳感器、諧振器等用于納米電力學體系。如果石墨烯用在航空航天設備中，可大大減少負荷。石墨烯可作為金屬材料的添加劑，如金屬基石墨烯復合材料合金會大大提高合金材料的屈服和抗拉強度，在航天領域的潛在應用價值極大。

2.2.3 熱性能

石墨烯具有非常好的熱傳導特性。純的無缺陷的單層石墨烯的導熱系數(shù)高達5 300 W/mK，是目前為止導熱系數(shù)最高的碳材料，高于單壁碳納米管（3 500 W/mK）和多壁碳納米管（3 000 W/mK）。當它作為載體時，它的導熱系數(shù)也可達600 W/ mK。研究者對石墨烯在不同載體上的導熱性并沒有過多的研究，但可以通過Klemens效應來預測。由于能將電子產(chǎn)品運行中產(chǎn)生的大量熱量快速擴散到空氣中，使其獲得更好的工作性能和穩(wěn)定性，石墨烯在電子設備散熱應用中具有非常廣闊的前景。由于具備高的熱電轉(zhuǎn)化效率及獨特的物理化學性質(zhì)，石墨烯吸引了眾多科學家的目光。最近的研究發(fā)現(xiàn)，由于石墨烯的透明性、柔性、可快速加熱以及石墨烯片層上溫度的均勻性，石墨烯被視為理想的加熱元件。采用化學氣相沉積（CVD）法制造的石墨烯薄膜，由于它的電阻低，同時透光率可高達89%，因此被視為制造低壓透明導電加熱器的理想材料。石墨烯的彈道熱導率是各向同性的，3D版石墨的熱導率是各向異性的。基底面導熱系數(shù)超過1 000 W/mK（相當于鉆石）。由于基底面之間較大的晶格間距和弱約束力，石墨c軸（平面外）的熱導率約為xy平面的百分之一。約20年前，巴斯夫公司就發(fā)表了應用石墨熱導率的各向異性、關(guān)于石墨和泡沫聚苯乙烯復合材料的專利，很快開發(fā)了商品牌號為neopor?GPS的智能型保溫材料，該材料在歐美市場有很大的份額，主要用于建筑物保溫。由于原始專利快要過期，所以國內(nèi)相關(guān)企業(yè)也正在進行類似的研究。中國公司最近也正在進行這方面的研發(fā)，希望類似的產(chǎn)品很快會在中國市場出現(xiàn)。

2.2.4 光學特性

石墨烯具有非常好的光學特性，在較寬波長范圍內(nèi)吸收率約為2.3%，即透過率為97.7%，看上去幾乎是透明的。在幾層石墨烯厚度范圍內(nèi)，厚度每增加一層，吸收率增加2.3%，因此可用透光率來計算石墨烯的層數(shù)。理論和實驗結(jié)果表明，大面積的石墨烯薄膜同樣具有優(yōu)異的光學特性，且其光學特性隨石墨烯厚度的改變而發(fā)生變化。這是單層石墨烯具有不尋常的低能電子結(jié)構(gòu)、電子和空穴的錐形帶在狄拉克點相遇的結(jié)果。CVD法生長的石墨烯薄膜的厚度和折射率可用多參數(shù)表面等離子體共振技術(shù)進行表征。在室溫下對雙柵極雙層石墨烯場效應晶體管施加電壓，石墨烯的帶隙可在0～0.25 eV間（大約5 nm波長）調(diào)整［18］。施加磁場，石墨烯納米帶的光學響應可調(diào)諧至太赫茲范圍。石墨烯/ GO系統(tǒng)具有電致變色性能，允許線性光學性質(zhì)和超快光學性質(zhì)的調(diào)制。而以石墨烯為原料制成的石墨烯透明導電薄膜具有優(yōu)異的透光性和導電性，被廣泛用于觸摸屏和柔性顯示領域，并有可能取代ITO 成為下一代柔性顯示領域不可或缺的材料。

2.2.5 膠體化學性質(zhì)

2.2.5.1 GO的膠體化學性質(zhì)

Pickering乳液是指以固體顆粒代替?zhèn)鹘y(tǒng)表面活性劑作為穩(wěn)定劑的乳液體系，其機理為：為降低體系的自由能，具有一定潤濕性的固體顆粒自發(fā)地吸附在油水界面上，形成一層致密的固體膜，并通過穩(wěn)定劑間的排斥作用防止液滴間的聚結(jié)，從而實現(xiàn)對乳液的穩(wěn)定作用?？梢杂米鱌ickering穩(wěn)定劑的固體顆粒種類多樣，包括有機物（如聚合物）和無機顆粒（如二氧化硅、二氧化鈦）。固體顆粒的潤濕性是影響Pickering乳液穩(wěn)定性的一個重要因素，常常用粒子的接觸角來表征（如圖2所示）。當固體顆粒的三相接觸角θ稍小于90°時，粒子較為親水，大部分位于水相，穩(wěn)定的乳液為水包油型（O/W）乳液；相反，當三相接觸角θ略大于90°時，粒子呈疏水性，得到的乳液為油包水型（W/O）乳液；同時，若θ太小或太大，則表示固體顆粒過分親水或親油，此時將無法得到穩(wěn)定的乳液。

圖2 固體顆粒的三相接觸角與穩(wěn)定Pickering乳液類型間的關(guān)系Fig.2 The relationship between the contact angle(θ) and the stable Pickering emulsion types.

Pickering乳液的物理化學模型：假定固體顆粒尺寸足夠小且可以忽略重力作用的影響，此時單個固體顆粒從界面脫附所需的能量（E）可用式（1）計算：

式中，R為固體顆粒半徑，cm；θ為接觸角，°；γOW為油水間的界面張力，dyn/cm。

與傳統(tǒng)的表面活性劑穩(wěn)定的乳液相比，Pickering乳液具有很多優(yōu)勢：所需乳化劑的用量少，成本較低且對環(huán)境友好；由于Pickering穩(wěn)定劑的尺寸遠大于表面活性劑，使前者吸附在界面后很難獲得足夠的能量從界面脫落，從而具有更高的乳液穩(wěn)定性。上述優(yōu)勢使Pickering乳液模板法深受研究者們的青睞。

GO具有疏水的碳骨架和親水的羥基、環(huán)氧基團以及在邊緣的羧基，這種結(jié)構(gòu)賦予GO一定的兩親性，Pickering穩(wěn)定劑是兩親性物質(zhì)的一個重要用途，因而人們在這方面進行了一系列研究。整體而言，GO的親水性較強，限制了它在Pickering穩(wěn)定劑方面的應用，因此常常需要進行一定程度的調(diào)節(jié)或表面改性才能更好地用于Pickering乳液的穩(wěn)定。一種方法是通過降低溶液pH來限制羧基的電離程度，減弱GO的親水性，進而增加其乳液穩(wěn)定能力。GO在堿性條件下無法穩(wěn)定乳液，當用鹽酸調(diào)至酸性后GO親水性下降，經(jīng)乳化后可得到較為穩(wěn)定的乳液，若再次將pH調(diào)回堿性，則液滴將發(fā)生聚并而破乳，證明了改變GO水分散液的pH能可逆調(diào)節(jié)其潤濕性。另外，He等［19］系統(tǒng)研究了油相成分、乳化時間、穩(wěn)定劑濃度、水相/油相比、pH、鹽濃度等因素對GO穩(wěn)定的Pickering乳液的穩(wěn)定性、液滴尺寸及乳液類型的影響，發(fā)現(xiàn)原始GO作為穩(wěn)定劑始終只能得到O/W型的Pickering乳液。

對于Pickering乳液體系，外加的表面活性劑分子可吸附在穩(wěn)定劑表面，改變顆粒的潤濕性，離子型表面活性劑還可能屏蔽顆粒表面電荷而引起微絮凝，這些都會對所得乳液的類型和穩(wěn)定性有所影響，因而引入表面活性劑成為一種常用的穩(wěn)定劑改性手段。直接以親水碳酸鈣納米顆粒作為穩(wěn)定劑制備的乳液液滴會發(fā)生明顯的聚并，但在加入陰離子表面活性劑十二烷基硫酸鈉后，適當增加了穩(wěn)定劑的親油性，所得乳液的穩(wěn)定性得到明顯的提高。另外，如果繼續(xù)向體系中加入十二烷基硫酸鈉，則穩(wěn)定劑的親油性進一步提高，乳液將由O/W型向W/O型轉(zhuǎn)變。羧基的電離使GO本身帶有負電荷，因此可以利用它與陽離子表面活性劑間的電荷相互作用對GO進行改性。

石墨烯和GO的優(yōu)異性質(zhì)令它們在制備復合材料方面受到廣泛關(guān)注。而通過聚合以GO為穩(wěn)定劑的Pickering乳液，可以方便地制備GO/聚合物復合材料，再經(jīng)還原或其他處理方法就得到石墨烯/聚合物復合材料。Tang等［20］通過聚合載有金納米粒子的GO穩(wěn)定的Pickering乳液制得了具有催化性能的GO/聚苯乙烯復合微球。Thickett等［21］采用Pickering細乳液聚合法獲得了殼層厚度可調(diào)的GO/聚苯乙烯空心微球，并可以改變油相組分控制微球形貌（空心球或多孔球），在多孔內(nèi)部負載無機顆粒可進一步對微球功能化。王海濤研究組［22-25］采用陽離子表面活性劑對GO進行修飾，并通過改變改性劑種類（如甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化銨、十烷基三甲基氯化銨、十六烷基三甲基溴化銨等）及控制改性程度，成功制備了穩(wěn)定的O/W型Pickering乳液、O/W型Pickering高內(nèi)相乳液和W/O型Pickering高內(nèi)相乳液。Yin等［26］制備了納米級的單分散GO/聚苯乙烯復合微球，并探討了GO與聚苯乙烯鏈段的相互作用及微球形貌與GO表面性質(zhì)的關(guān)系；以改性GO為穩(wěn)定劑制備出封裝有相變材料的GO/聚合物復合微膠囊，詳細研究了不同種類的改性GO在聚合物囊壁中的分布及其對囊芯功能性物質(zhì)阻隔性能的影響［22-26］。此外，通過對GO的進一步親油改性，Zheng等［22］以極低的穩(wěn)定劑含量制備了Pickering高內(nèi)相乳液，并以聚合得到的閉孔聚合物多孔材料為模板，得到了具有大孔-微孔結(jié)構(gòu)的3D碳材料。以Pickering乳液為模板，利用環(huán)氧基團與含氨基的改性劑的反應進行表面修飾，制備了具有非對稱基面結(jié)構(gòu)的Janus GO顆粒［25］。通過水包石蠟的Pickering乳液對GO片層的一側(cè)進行屏蔽，實現(xiàn)非對稱化學修飾，洗除石蠟后則獲得Janus GO片層；并通過Pickering聚合制備了表面親水的GO/聚苯乙烯復合微球，展現(xiàn)了這種Janus GO在乳液穩(wěn)定和設計復合材料表面結(jié)構(gòu)的能力。

邱介山和Hao研究組［27-29］以水溶性GO為前體，基于膠體和界面化學基本原理和技術(shù)，使用商業(yè)化環(huán)氧樹脂固化劑（聚醚胺D400）與GO/油體系作用，得到了具有液晶性質(zhì)的GO Pickering 液晶乳液。D400除了起到表面活性劑的作用，它兩端的氨基在乳化的同時還能與GO表面的環(huán)氧鍵反應，實現(xiàn)GO的交聯(lián)并存在于Pickering乳液界面上。二維GO納米片在界面上的定向排列形成液晶的各向異性，得到的液晶乳液更加穩(wěn)定，還可以液晶乳液為軟模板，通過化學交聯(lián)和原位還原構(gòu)筑孔道有序的三維石墨烯組裝體結(jié)構(gòu)。他們通過調(diào)變前體的油/水比，可實現(xiàn)對乳滴大?。◤?.5 μm到52.7 μm）及最終得到的石墨烯組裝體孔道尺寸（從1.7 μm到31.6 μm）的精確控制和調(diào)變，并研究了石墨烯片層結(jié)構(gòu)的組裝機制。在微納米尺度上，制得了石墨烯基微球和一維石墨烯納米帶；在宏觀尺度上，實現(xiàn)了厘米級二維石墨烯薄膜和三維石墨烯組裝體的可控構(gòu)筑。得到的三維組裝體是一種低毒性支撐體材料，細胞培養(yǎng)測試結(jié)果表明，人體的成纖維細胞（L929）能夠順利在其孔道上生長繁殖，24 h后細胞存活率高達99%。這種整體塑制品（Monolith）可作為新型色譜分離材料，也可在保溫、緩震等領域發(fā)揮作用。他們還使用D400與GO水溶液反應，通過升高溫度至90 ℃，可在1 min內(nèi)得到共價交聯(lián)的石墨烯組裝體。這種凝膠狀的石墨烯組裝體/水復合物可與高分子復合得到共混產(chǎn)物，或直接在反應物中加入貴金屬鹽，如氯金酸、氯鉑酸和氯化鈀?等，利用D400的還原性一步得到含貴金屬單質(zhì)的凝膠，通過靜電紡絲得到堆積納米線再進行灼燒，可能得到具有大比表面積的負載型催化劑。他們還提出制備石墨烯包覆過渡金屬氧化物復合結(jié)構(gòu)的通用技術(shù)，包覆四氧化三鐵的石墨烯折疊納米帶作為鋰離子電池負極材料，表現(xiàn)出了優(yōu)異的倍率特性和長達600次的穩(wěn)定循環(huán)壽命。

2.2.5.2 石墨和石墨烯納米片的膠體化學性質(zhì)

直接用石墨烯或石墨作為Pickering乳液穩(wěn)定劑的報道很少。主要原因是石墨烯或石墨的表面是超雙疏（Omniphobic或Super-amphiphobic）結(jié)構(gòu)，石墨烯或石墨本身既不親水也不親油，一般情況下很難形成穩(wěn)定的Pickering乳液。本研究小組最近直接用石墨借助于第4組分（助Pickering乳液穩(wěn)定劑）的加入和震動、超聲及勻質(zhì)機的幫助，得到了一系列穩(wěn)定的Pickering乳液。圖3顯示了不同尺寸的石墨在油水界面原位再生產(chǎn)生石墨烯納米片，并同時作為Pickering乳液穩(wěn)定劑穩(wěn)定的不同水滴的W/O型的Pickering乳液。石墨烯或石墨的接觸角大于90°，傾向于形成W/O型的Pickering乳液。

圖3 原位再生石墨烯穩(wěn)定的W/O型Pickering乳液Fig.3 W/O type Pickering emulsion stabilized by pristine graphene. Volume ratio of oil(isoprene) to water is 1/3；from left to right，the graphene sizes are 3 000，5 000，12 000 mesh，respectively.

這種新型的原位再生石墨烯穩(wěn)定的Pickering乳液穩(wěn)定的關(guān)鍵是加入第4組分后水相和油相的介電常數(shù)及表面張力的差異。這里第4組分的設計和篩選是關(guān)鍵。它們可以是不帶電、帶負電或帶正電的表面活性劑，也可以是兩親性或雙親水型嵌段共聚物。第4組分可以分散在水相或油相，也可以同時分散在水相和油相。第4組分的選擇非常多，選擇的關(guān)鍵是能得到高效（用量盡量少）和經(jīng)濟的第4組分。經(jīng)過探索，已得到多種這樣的第4組分，以及由它們形成的穩(wěn)定的W/O型Pickering乳液體系。

進一步的工作是用油溶性單體作為油相構(gòu)筑W/O型Pickering乳液模板，然后聚合連續(xù)相得到一系列原位再生石墨烯/高分子多孔復合材料。圖4是原位再生石墨烯穩(wěn)定的Pickering乳液合成的石墨烯/高分子多孔復合材料的照片。這種復合材料可作為一種新型的油水分離材料及降低污水中可揮發(fā)性有機物的新型材料。這種材料價廉，力學性能好，吸油效率高，可多次反復使用。在這種新型材料的研發(fā)過程中，我們同時利用了石墨烯的3種性能：1）從廉價石墨開始，利用其膠體化學特性通過Pickering乳液模板原位剝離成石墨烯納米片，然后聚合連續(xù)相得到一系列原位再生石墨烯/高分子多孔復合材料；2）石墨烯納米片均勻地分散在多孔復合材料的表面，使這種復合材料的力學性能得到極大的提高；3）多孔復合材料具有導電性，材料的電阻與吸油量直接相關(guān)。這種新型材料有可能在環(huán)保及油水分離方面有很好的應用前景。

圖4 原位再生石墨烯穩(wěn)定的Pickering乳液合成的石墨烯/高分子多孔復合材料Fig.4 Graphene/polymer composite foams of various sizes after polymerization made from Pickering emulsions with styrene(left) and styrene/butyl acrylate(right).The mass ratio of the graphene is 2%.

2.3 GO的液晶性

液晶態(tài)是粒子呈現(xiàn)出的一種兼具液體流動性和晶體有序性的中間有序態(tài)，液晶粒子通常是具有棒狀、梭狀、盤狀等扁長形狀的分子或膠體粒子，可被看作是取向有序的流體。作為極薄的二維碳材料，GO具有極大的寬高比，且豐富的含氧基團賦予它良好的水分散性，因此GO具備形成液晶相的能力。Kim等［30］率先研究了GO片層的液晶性，發(fā)現(xiàn)水中分散的GO片層由于取向不同而對自然光顯示出雙折射性，且當溶液達到一定濃度時，局部GO片層會呈現(xiàn)出有序定向排布的趨勢。在機械剪切的作用下，他們使GO片層發(fā)生了取向排布。此外，Kim等還通過拉伸GO/聚丙烯酸液晶凝膠制備了纖維材料，該纖維中的GO片層沿拉伸方向取向排布，因而顯示出對光的雙折射性。GO片層已具有寬高比大、質(zhì)量輕、性能優(yōu)異、可低成本大規(guī)模制備等優(yōu)點，再加上其本身的液晶性，使得GO片層對制備光學材料、顯示設備、高性能納米復合物等具有重大意義。高超課題組［31-32］運用GO的液晶性，通過制備窄分散比的GO成功地用納米級GO片紡制成長達數(shù)米的純GO纖維，并采用化學還原法進一步得到了石墨烯碳基纖維。這種纖維具有高強柔性的機械性能，也具有良好的導電性，可應用于定向?qū)щ姷墓δ芾w維織物，可用來制作防輻射服和防彈衣。最近石高全課題組［33］通過向GO溶液中加入堿，誘導GO在較低濃度下形成高取向的向列相液晶，再進行水熱還原和冷凍干燥，制備出了石墨烯氣凝膠。這種石墨烯氣凝膠繼承了GO液晶的高度取向結(jié)構(gòu)，展現(xiàn)出像木材年輪般的高取向同心圓結(jié)構(gòu)。同時，這種取向結(jié)構(gòu)也賦予了氣凝膠良好的壓縮回彈性，從而使氣凝膠可被用于形變傳感器。

石墨烯本身也是一種很好的致晶體，應該可以制造成液晶材料，但到目前為止還很少看到報道。希望在不遠的將來有這方面的報道以及具有優(yōu)異性能的石墨烯液晶材料出現(xiàn)。

2.4 石墨烯的化學性質(zhì)

關(guān)于石墨烯的化學性質(zhì)很少有人探究，至今關(guān)于石墨烯的化學性質(zhì)的報道僅僅是：與石墨類似，石墨烯可以吸附并脫附各種原子和分子。當這些原子或分子作為給體或受體時可以改變石墨烯載流子的濃度，而石墨烯本身卻可以保持很好的導電性。但當吸附其他物質(zhì)時，如吸附H+和OH-時，會產(chǎn)生一些衍生物，石墨烯的導電性變差，但這并不是產(chǎn)生了新的化合物。石墨烯的化學性質(zhì)與石墨十分類似，可利用石墨來推測石墨烯的性質(zhì)。例如石墨烷的生成就是在二維石墨烯的基礎上，每個碳原子多加上一個氫原子，從而使石墨烯中sp2碳原子變成sp3雜化。另一方面，由石墨烯薄片組成的石墨紙擁有很多的孔，因而石墨紙顯得很脆，然而，經(jīng)氧化得到功能化石墨烯，再由功能化石墨烯做成石墨紙則會異常堅固強韌。除將其功能化外，石墨烯還有很多的應用。

2.5 石墨烯的應用

2.5.1 石墨烯無金屬催化劑

在全球能源需求不斷上升和傳統(tǒng)能源對環(huán)境、人類健康、能源安全和環(huán)境保護構(gòu)成嚴重挑戰(zhàn)時，一個很有前途的解決方案是能提供清潔和可持續(xù)電力的燃料電池技術(shù)。燃料電池發(fā)電，水是唯一的副產(chǎn)物，這種能量轉(zhuǎn)換技術(shù)能量轉(zhuǎn)換效率高、幾乎沒有污染。然而，燃料電池需要一個催化劑來催化氧還原反應。傳統(tǒng)上，Pt一直被視為最佳氧還原反應催化劑，但有限的資源和Pt的高成本是燃料電池商業(yè)化的主要屏障。Pt在成本過高的同時，遇到CO還易失活。因此，需要尋找用于燃料電池中陰極氧還原反應的比鉑成本低且更有效的替代催化劑。經(jīng)適度摻雜的石墨烯可催化燃料電池氧化，其催化性能甚至可與貴金屬催化劑相媲美，從而大大降低燃料電池的成本。2009年，Gong等［34］發(fā)現(xiàn)用氮摻雜的取向多壁納米管作為無金屬催化劑可替代Pt催化劑，效果更好且遇到CO不會中毒。近來發(fā)現(xiàn)用氮摻雜的石墨烯［35］、氮摻雜的石墨、磷摻雜的石墨［36-37］、氮/硼摻雜的石墨烯［38］、氮摻雜的石墨烯量子點［39］，以及由球磨產(chǎn)生的邊緣功能化的石墨烯［14］、硫摻雜的石墨烯［40］和邊緣功能化的無摻雜石墨烯［41］，都可替代Pt作為無金屬催化劑用于燃料電池［42］。Xu等［43］還發(fā)現(xiàn)氮摻雜石墨烯可用來制備高體積能量密度和長循環(huán)壽命的鋰離子電池負極材料。

2.5.2 石墨烯的主要應用

2.5.2.1 代替硅生產(chǎn)電子產(chǎn)品

目前，晶體管由昂貴的硅制成，在電子設備中應用時會產(chǎn)生熱量，且運轉(zhuǎn)速度越快，電子高速碰撞就會越激烈，產(chǎn)生的熱量也越多，這也是限制電子產(chǎn)品運轉(zhuǎn)速度的一個重要因素。由于室溫下的量子自旋霍爾效應，電子在石墨烯中穿行沒有任何阻力，產(chǎn)生的熱量也很少，而且石墨烯本身具有較高的熱導率，產(chǎn)生的熱量也會很快散掉，因此石墨烯電子產(chǎn)品比硅具有更高的運行速率。石墨烯還可用來制備射頻晶體管，目前射頻晶體管主要采用半導體材料硅或更貴的磷化銦，在相同的工作電壓下，電子在石墨烯中的速度是在磷化銦中的10倍、硅材料中的100倍。研究者們還證明了在石墨烯中摻雜一定數(shù)量的多電子型分子可改變石墨烯的電化學特性，并在此基礎上制備了n型晶體管，向石墨烯基電路邁出了關(guān)鍵一步。據(jù)估計，石墨烯芯片處理器的頻率有望達到1 THz以上。雖然目前石墨烯的研究仍處于基礎研究階段，但由于其優(yōu)異的性能以及制備石墨烯的原料是價格低廉的石墨，因此用石墨烯替代硅制造電子產(chǎn)品的應用前景十分廣闊。

2.5.2.2 柔性顯示

石墨烯由于具有很好的導電性和透明性，可彎折且機械強度好，使其在柔性顯示領域有著廣闊的應用前景。相較于ITO，石墨烯具有更佳的柔性及透光性。這種超柔性的石墨烯層讓許多產(chǎn)品得以實現(xiàn)，包括可折疊的電子產(chǎn)品、柔性觸摸屏和可穿戴設備。

2.5.2.3 傳感器

由于石墨烯獨特的電子效應，使石墨烯在高靈敏檢測領域具有非常廣闊的應用前景。石墨烯的電子特性使得石墨烯對吸附到其表面上的氣體分子影響明顯，因此可利用石墨烯的該特性制備高靈敏度石墨烯氣體傳感器，用來檢測NO2，SO2，CO，H2等眾多小分子。實驗結(jié)果表明，該傳感器的檢測靈敏度較普通化學傳感器有巨大的提升且響應時間大大縮短。由于石墨烯具有優(yōu)異的生物相容性、高的載流子遷移率及熱導率，可極大提升生物傳感器的各種性能。石墨烯生物傳感器不僅可檢測生物體內(nèi)的小分子，還可檢測像蛋白質(zhì)、DNA這樣的生物大分子，而且用石墨烯制備的傳感器可實現(xiàn)對DNA的快速測序。除了氣體傳感器和生物傳感器，目前研究較多的石墨烯傳感器還有石墨烯壓力傳感器、石墨烯溫度傳感器、石墨烯濕度傳感器、石墨烯光學傳感器、石墨烯場效應晶體管傳感器等不同類型的傳感器，雖然它們的響應原理各異，但其整體性能與普通傳感器相比有巨大的提升。

2.5.2.4 能量存儲與轉(zhuǎn)換

石墨烯因其特有的性能優(yōu)勢，在儲能領域的應用備受關(guān)注，它在超級電容器及電池領域的研究“勢如破竹，屢建奇功”。石墨烯相較于活性炭更加適合作能量存儲與轉(zhuǎn)換的電極材料。在超級電容器方面，石墨烯有其獨特的優(yōu)勢。石墨烯整個表面可以形成雙電層，但在形成宏觀聚集體的過程中，石墨烯片層之間互相雜亂疊加，使得形成有效雙電層的面積減少（一般化學法制得的石墨烯的有效雙電層的面積為200～1 200 m2/g）。即使如此，石墨烯仍可獲得100～230 F/g的比電容。如果石墨烯的表面可以完全釋放，將獲得遠高于多孔炭的比電容。在石墨烯片層疊加、形成宏觀體的過程中，形成的孔隙集中在100 nm以上，有利于電解液的擴散，使得超級電容器具有良好的功率特性。最近El-Kady等［44］從石墨烯的特性開始，系統(tǒng)討論了石墨烯在超級電容器及電池理論上所能獲得的最大容量，并提及了能量密度。從合成及組裝的角度，從零維量子點到一維納米線、納米帶以及二維薄膜和三維網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，甚至最新的四維自組裝結(jié)構(gòu)，對石墨烯材料進行了全面的介紹，并對幾種重要的加工工藝進行了分析討論。他們還對近期在超級電容器及電池領域的研究中，12種需要重點關(guān)注的特性進行了分析討論，并總結(jié)了提升超級電容器能量密度的經(jīng)典策略。石墨烯在鋰離子電池方面的應用也具有非常大的潛力。石墨烯作為一種由石墨出發(fā)制備的新型碳質(zhì)材料，單層或薄層石墨（2～10 層的多層石墨烯）在鋰離子電池領域具有極大的應用潛力。三星公司的研究人員將石墨烯鋰離子電池的容量較普通鋰離子電池提升了2倍，且200次充放電后，還能維持1.5倍的能量密度。石墨烯在太陽能電池方面也展現(xiàn)出獨特的優(yōu)勢。石墨烯代替易碎且越來越昂貴的ITO，使太陽能電池的效率更高、更環(huán)保且能顯著降低太陽能電池的成本。石墨烯在質(zhì)子交換膜燃料電池中的主要作用有兩個：作為貴金屬粒子的載體；摻雜后，石墨烯直接作為燃料電池陰極催化劑。質(zhì)子交換膜燃料電池因具有能量密度高、轉(zhuǎn)換效率高、操作溫度低、響應快速等優(yōu)點自20世紀80年代便引起了研究者的廣泛關(guān)注。制備和尋找廉價、高活性的催化劑是提高質(zhì)子交換膜燃料電池性能的重要途徑之一。石墨烯由于巨大的比表面積和優(yōu)異的導電性，被視為燃料電池理想的催化劑。石墨烯的比表面積大，非常有利于金屬納米粒子的分散；導電性好，有利于電子運輸；經(jīng)適當修飾后，石墨烯還可以增強載體與金屬之間的相互作用。

2.5.2.5 復合材料

石墨烯復合材料被認為是石墨烯最早進入應用的領域。石墨烯復合材料主要包括石墨烯金屬復合材料、石墨烯高分子復合材料及石墨烯無機非金屬材料。石墨烯金屬納米粒子復合材料可用來做催化劑。與炭黑相比，石墨烯金屬納米粒子的催化活性更高、耐毒性和穩(wěn)定性更好。而利用石墨烯的高強度，將其加入金屬基體中可以合成質(zhì)量輕、強度高、模量高的金屬基復合材料。石墨烯高分子復合材料在增加復合材料物理機械性能的同時也展現(xiàn)了很多其他優(yōu)異的性能。石墨烯被視為是制造導電橡膠和塑料的最理想的填料。研究結(jié)果表明，當添加1份左右的石墨烯時，可明顯降低復合材料的電阻率。此外，很多研究表明，石墨烯高分子復合材料的導熱性較純的高分子材料也有很大提高。相比聚合物基和金屬基復合材料，目前對石墨烯無機非金屬材料的研究相對較少，但由于石墨烯具有非常好的韌性，因此石墨烯在增韌無機非金屬基復合材料領域具有非常好的應用前景。陶瓷是高溫場合的理想材料，但其脆性高、韌性差，而石墨烯具有非常好的韌性。研究結(jié)果表明，石墨烯可顯著增強陶瓷基復合材料的韌性。

2.5.2.6 生物醫(yī)藥

石墨烯在生物醫(yī)藥領域的應用潛力巨大，如在藥物載體、基因測序、生物傳感器等方面的應用前景廣闊。石墨烯適用于藥物載體。功能化的石墨烯材料有望用作可控釋放及靶向給藥的藥物載體，在生物醫(yī)藥和生物診斷等領域有很好的應用前景。以可溶性石墨烯作為藥物載體，可實現(xiàn)抗腫瘤藥物阿酶素（DXR）在石墨烯上的高效負載，鑒于石墨烯較大的比表面積，DXR的負載量可達2.35 mg/ mg，遠高于其他傳統(tǒng)的藥物載體。此外，石墨烯還可用于基因測序。

2.5.2.7 環(huán)保

石墨烯未來會在大氣污染的治理與防治、水污染處理、土壤污染治理、節(jié)能環(huán)保以及海水淡化等領域具有非常廣闊的應用前景。在大氣污染治理與防治方面，石墨烯可作為催化劑催化污染氣體的轉(zhuǎn)化，也可作為吸附劑吸附空氣中的有害物質(zhì)，還可用來制造高靈敏傳感器用于大氣污染物的檢測。在水污染處理領域，石墨烯可作為載體制備高性能催化劑，催化污水中重金屬的轉(zhuǎn)化；也可作為重復使用的吸附劑，吸附水中的重金屬及有機染料、溶劑及泄露的原油等。而在土壤污染治理方面，石墨烯可作為可回收、吸附容量高的吸附劑材料對有機污染物和重金屬進行吸收。石墨烯的熱電轉(zhuǎn)換效率極高，在節(jié)能環(huán)保領域的應用前景不可限量。

2.5.2.8 熱管理

石墨烯作為極佳的散熱材料，可用于硅基芯片散熱、LED燈散熱、石墨烯導熱膠、石墨烯導熱復合材料等諸多領域，還可用于智能手機、平板電腦、大功率節(jié)能LED照明、衛(wèi)星電路、激光武器、高集成度系統(tǒng)熱點等的散熱。在加熱領域，石墨烯被認為是實現(xiàn)快速加熱的理想元件。由于石墨烯具有韌性以及表面溫度可以迅速擴散，因此石墨烯加熱器件可在潮濕的冬季使用。石墨烯作為加熱元件未來將廣泛應用于日常加熱器、防霜防霧玻璃、太陽能電池等諸多領域。

3 結(jié)語

石墨烯材料的應用研究和產(chǎn)業(yè)化絕不會是一個泡沫。這主要是因為兩個原因：一是材料可以用多種方法低成本地大量制備。特別重要的是，可以從產(chǎn)量豐富、價格低廉的天然石墨制備石墨烯，而我國石墨礦儲存量占全球儲存量的50%以上。二是基于石墨烯材料多種奇特性質(zhì)的高端和低端應用領域非常廣泛。自從2004年Andre Geim等發(fā)現(xiàn)石墨烯到現(xiàn)在，僅僅過去十年，石墨烯的各種性質(zhì)被人們不斷發(fā)現(xiàn)，其應用研究已經(jīng)幾乎包括各個領域。隨著對石墨烯性能的進一步研究，石墨烯更多優(yōu)異的性質(zhì)將被發(fā)現(xiàn)，其應用領域必將進一步拓寬。而隨著石墨烯制備和加工工藝的進一步成熟，石墨烯必將有無限發(fā)展空間。

致謝：感謝復旦大學物理系張遠波教授的寶貴修改意見。

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（編輯 王 萍）

北京化工大學化工資源有效利用國家重點實驗室簡介：北京化工大學化工資源有效利用國家重點實驗室前身為2000年8月成立的可控化學反應科學與技術(shù)教育部重點實驗室，2006年6月27日由國家科技部批準籌建國家重點實驗室，2009年1月4日正式通過驗收。實驗室學術(shù)委員會由13名專家學者組成，學術(shù)委員會主任由中科院院士周其鳳教授擔任，實驗室主任由何靜教授擔任。

重點實驗室密切圍繞我國建設資源節(jié)約型社會的戰(zhàn)略目標，以化工資源有效利用為主攻方向，深入研究相關(guān)領域的科學問題與技術(shù)集成原理，充分利用北京化工大學化學、化工和材料3個一級學科布局緊湊、專業(yè)方向完整的優(yōu)勢，通過學科間的交叉、滲透和整合，針對“化工資源有效利用”的途徑，形成了3個有特色的研究方向：組裝化學、可控聚合、過程強化。

實驗室認真貫徹執(zhí)行“開放、流動、聯(lián)合、競爭”的方針，重視科學研究、人才培養(yǎng)、隊伍建設和開放交流等各方面的工作?；诒本┗ご髮W的基礎及辦學宗旨，實驗室確定了基礎研究與應用研究密切結(jié)合的定位，即在開展學術(shù)前沿研究的同時，以國家實際需求為切入點，直接進入國民經(jīng)濟建設的主戰(zhàn)場。承擔一批基礎和工程化及產(chǎn)業(yè)化研究項目，發(fā)表一批高水平的學術(shù)論文，申報一批國家和國際發(fā)明專利，產(chǎn)出一批具有顯示度的科研成果，形成鮮明的應用基礎研究特色。

Graphene materials and its applications

Cao Yuchen，Guo Mingming
（SINOPEC Beijing Research Institute of Chemical Industry，Beijing 100013，China）

The discovery history and development of the graphene materials have been reviewed brief y. The main applications as well as the chance and challenge of the graphene materials have been discussed. The mechanical properties，electronic properties and optic properties，and the newly developed colloid properties and no-metal catalyst properties of the graphene materials have been introduce mainly. Finally，the bright future of the graphene materials has been forecasted.

graphene materials；graphene application；colloid properties；non-metal catalyst

1000 - 8144（2016）10 - 1149 - 11

TE 254

A

10.3969/j.issn.1000-8144.2016.10.001

2016 - 06 - 08；［修改稿日期］ 2016 - 07 - 01。

曹宇臣（1992—），男，北京市人，碩士生，電話 010 - 59202183，電郵 caoyc.bjhy@sinopec.com。聯(lián)系人：郭鳴明，電話 010 -59202187，電郵 guomm.bjhy@sinopec.com。