高純石墨烯／氧化石墨烯的制備及應(yīng)用前景研究

畢津源

（江西財(cái)經(jīng)大學(xué)，南昌 330013）

石墨烯具有優(yōu)良的熱學(xué)、力學(xué)、電學(xué)以及光化學(xué)性能，比表面積巨大，因而它被譽(yù)為“材料之王”。目前，石墨烯已經(jīng)成為國內(nèi)外材料研究領(lǐng)域的重點(diǎn)研究對(duì)象。然而，石墨烯的制備及應(yīng)用技術(shù)仍存在一定的欠缺，石墨烯發(fā)展的機(jī)遇與挑戰(zhàn)并存。

1 石墨烯國內(nèi)研究現(xiàn)狀

與美國、德國等世界發(fā)達(dá)國家相比，我國石墨烯制備研究起步較晚。近年來，隨著石墨烯制備技術(shù)的不斷發(fā)展以及應(yīng)用領(lǐng)域的不斷拓寬，國內(nèi)研究者對(duì)石墨烯的研究進(jìn)入活躍狀態(tài)，相關(guān)學(xué)術(shù)研究及專利不斷涌現(xiàn)。但是，我國國內(nèi)相關(guān)論文研究的質(zhì)量及原創(chuàng)性都有待提高，專利總量不足、分布不均衡。

1.1 石墨烯主要制備方法

目前，物理方法以及化學(xué)方法是制備石墨烯的兩大類主要方法。這兩類方法雖然應(yīng)用廣泛，但是在產(chǎn)量、穩(wěn)定性及品質(zhì)等方面均存在一些缺陷[1]。具體情況如表1所示。

表1 石墨烯的制備方法及比較

1.2 石墨烯研究專利情況

隨著石墨烯市場(chǎng)的不斷擴(kuò)大，我國科研工作者在石墨烯應(yīng)用的各個(gè)領(lǐng)域不斷取得創(chuàng)新和突破，我國石墨烯研究技術(shù)不斷朝著與國際同步方向發(fā)展。然而，人們必須清醒地認(rèn)識(shí)到國內(nèi)石墨烯市場(chǎng)尚不成熟、石墨烯產(chǎn)業(yè)鏈尚不完整、核心技術(shù)有待加強(qiáng)。從我國石墨烯在各個(gè)領(lǐng)域的專利情況可以看出，石墨烯研究領(lǐng)域不均衡、各領(lǐng)域?qū)＠偭坎欢?、自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)較為不足。石墨烯研究在各領(lǐng)域?qū)＠闆r如圖1所示?，F(xiàn)階段，打通石墨烯產(chǎn)業(yè)鏈、提高石墨烯在各領(lǐng)域的自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)尤為必要。

圖1 石墨烯研究在各領(lǐng)域?qū)＠闆r

2 石墨烯的應(yīng)用前景

由于具有良好的電化學(xué)性能、光化學(xué)性能、機(jī)械性能等特性，石墨烯在電子器械、能源應(yīng)用、生態(tài)環(huán)保以及制備高性能復(fù)合物等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。隨著制備方法和應(yīng)用技術(shù)的不斷發(fā)展，石墨烯的應(yīng)用領(lǐng)域正在不斷擴(kuò)大，其主要應(yīng)用領(lǐng)域如下。

2.1 在電子領(lǐng)域的應(yīng)用

2.1.1 散熱材料

石墨烯作為目前具有最高導(dǎo)熱系數(shù)的物質(zhì)，擁有5 300 W/（m·K）的理論導(dǎo)熱率，其理論導(dǎo)熱率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于石墨。由于石墨烯具有快速散熱的特性，石墨烯常作為智能手機(jī)、LED大功率節(jié)能燈、液晶電視以及平板電腦的理想散熱材料。同時(shí)，石墨烯的外形幾乎接近透明，符合現(xiàn)代設(shè)備制作對(duì)于外形的要求。在傳統(tǒng)工藝技術(shù)中，價(jià)格低廉、導(dǎo)熱性能高的石墨常作為散熱材料。隨著大功率芯片、大容量電池在手機(jī)和電腦研發(fā)中成為主流趨勢(shì)，傳統(tǒng)的石墨導(dǎo)熱材料已經(jīng)不能滿足手機(jī)、電腦等設(shè)備的散熱需求，而具有更強(qiáng)導(dǎo)熱性能的石墨烯成為最為理想的散熱薄膜材料。

2.1.2 柔性觸控面

由于導(dǎo)電性能強(qiáng)、碳原子間柔韌連接，石墨烯常用作柔性材料，在OLED面板、柔性LCD以及柔性電容器觸控膜中應(yīng)用。目前，氧化銦錫（ITO）是最為常見的柔性觸控屏材料，并構(gòu)成了柔性觸控屏40%左右的成本。相較于石墨，石墨烯的產(chǎn)品性能在透明度、導(dǎo)電性以及柔韌性等方面更為優(yōu)良。同時(shí)，在材料制作方面，ITO導(dǎo)電膜以稀有金屬銦作為原材料，面臨資源供給不足的問題?？梢?，隨著石墨烯制作工藝的成熟和制作成本的下降，石墨烯在柔性觸控屏領(lǐng)域替代石墨烯成為可能。

2.1.3 應(yīng)力傳感器

石墨烯具有納米級(jí)大小尺寸以及準(zhǔn)連續(xù)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，使得其可以在柔性襯底上自由轉(zhuǎn)移，從而使得石墨烯成為制作高透明度、高柔韌性的應(yīng)力傳感器的理想材料。目前，隨著可穿戴市場(chǎng)的發(fā)展，石墨烯正好滿足了可穿戴設(shè)備對(duì)于高靈敏度、高柔韌性材料的需求，因此石墨烯也成為移動(dòng)追蹤器、智能手表、智能通信設(shè)備等可穿戴設(shè)備的原材料。同時(shí)，石墨烯擁有超過500的靈敏因子，在人造電子皮膚中廣泛應(yīng)用。

2.1.4 芯片材料

目前，國際頂尖的科技公司已經(jīng)掌握了使用石墨烯制作半導(dǎo)體材料的關(guān)鍵技術(shù)。由于制備石墨烯制作半導(dǎo)體屬于高級(jí)應(yīng)用，國際上只有少數(shù)科技公司掌握了該項(xiàng)技術(shù)，其中美國IBM、韓國SAMSUNG的技術(shù)最為領(lǐng)先。石墨烯在電子領(lǐng)域的具體應(yīng)用如表2所示。以石墨烯為原材料制作晶體管，可以使集成電路具備傳輸效率高、穩(wěn)定性強(qiáng)、耗能低的優(yōu)良性能。隨著石墨烯制備芯片技術(shù)的不斷普及，石墨烯有望成為半導(dǎo)體原料之王[2]。

2.2 石墨烯在能源領(lǐng)域的應(yīng)用

目前,石墨烯在能源領(lǐng)域的具體應(yīng)用情況如表3所示。

2.2.1 超級(jí)電容

具有極高導(dǎo)電率以及巨大比表面積的石墨烯是制備超級(jí)電容的最佳材料。隨著科技的發(fā)展，以石墨烯為原材料，制作大功率、大容量、長(zhǎng)壽命、安全環(huán)保的新型超級(jí)電容技術(shù)不斷推廣，石墨烯也因此廣為關(guān)注。

2.2.2 電池材料

隨著全球能源危機(jī)不斷加劇，使用清潔能源，走可持續(xù)發(fā)展道路成為我國發(fā)展的必然選擇，電力作為一種可再生清潔能源被廣泛推崇。隨著電力的廣泛應(yīng)用，人們迫切需要具有較高續(xù)航能力、較大容量、較高散熱能力的高性能電池。石墨烯可作為電池催化劑，相比于傳統(tǒng)的催化劑鉑，具有活性強(qiáng)、價(jià)格低的優(yōu)勢(shì)?？梢?，石墨烯作為較為理想的電池催化劑，具有極高的應(yīng)用前景。

2.3 石墨烯在復(fù)合材料中的應(yīng)用

2.3.1 電纜保護(hù)材料

目前，雖然銅是我國電纜保護(hù)材料的主要材料，但是隨著石墨烯復(fù)合物制備技術(shù)的不斷推廣，石墨烯有望替代重金屬銅而成為制備電纜導(dǎo)體的首選材料。相比于重金屬銅，石墨烯具有導(dǎo)電性能較強(qiáng)、電阻率極小、價(jià)格較低的優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，在電磁屏防護(hù)方面，石墨烯相比于傳統(tǒng)的金屬絲編制屏蔽層、鍍錫屏蔽層，不僅可以提高屏蔽外界干擾的效果，還可以防止屏蔽間隙的發(fā)生，提高電纜保護(hù)材料的絕緣性能[3]。

2.3.2 功能涂料

由于具備優(yōu)良的熱學(xué)、力學(xué)以及電學(xué)等性能，石墨烯復(fù)合物已經(jīng)成為研發(fā)制備新一代功能涂料的重點(diǎn)關(guān)注對(duì)象。石墨烯具有眾多的含氧官能團(tuán)，能夠與有機(jī)物樹脂、高分子化合物結(jié)合，是制備功能化材料的首選。同時(shí)，石墨烯的優(yōu)良性能使其在制備具有防腐、防水以及除靜電的性能的功能涂料領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。

表2 石墨烯在電子領(lǐng)域的應(yīng)用

表3 石墨烯在復(fù)合材料中的應(yīng)用

2.3.3 環(huán)保吸附劑

由于具有較強(qiáng)的吸附能力且成本較低，石墨烯和氧化石墨烯常作為環(huán)保吸附劑而在污水治理、空氣凈化等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，環(huán)境污染問題日益得到人們的關(guān)注，污染治理刻不容緩。由于具有極大的比表面積，石墨烯的吸附能力強(qiáng)，特別是修飾石墨烯的官能團(tuán)后，石墨烯能夠有效吸附陽性重金屬粒子。隨著石墨烯官能團(tuán)修飾技術(shù)的發(fā)展，石墨烯將在污染防治方面發(fā)揮巨大作用。

3 石墨烯/氧化石墨烯制備新技術(shù)研究

針對(duì)石墨烯的國內(nèi)研究現(xiàn)狀及廣闊的研究前景，筆者通過運(yùn)用所學(xué)知識(shí)，對(duì)石墨烯制備技術(shù)進(jìn)行研究，研發(fā)出酸素石墨烯原位還原法，其主要技術(shù)路線如下：選取酸素石墨烯為制備原材料，在真空、氮?dú)饣蚨栊詺怏w環(huán)境以及200～1 200℃的高溫環(huán)境下，對(duì)原材料進(jìn)行高溫及原位還原處理；依次對(duì)半成品進(jìn)行球磨法、攪拌法以及行星磨法處理；為了防止在第二步驟中已被剝離的石墨稀發(fā)生二次重合或聚集，必須加入分散劑以及非化學(xué)鍵修飾劑，從而保證石墨烯的產(chǎn)量與質(zhì)量；使用物理離心技術(shù)將石墨烯分離，得到高純度石墨烯/氧化石墨烯。

本方法以酸性石墨作為原料，具有原料價(jià)格低廉、工藝流程簡(jiǎn)單、技術(shù)綠色環(huán)保、產(chǎn)量高等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，采用本方法制備出的石墨稀/氧化石墨烯擁有較高的純度且品質(zhì)較高。本方法主要有兩項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新：一是針對(duì)石墨烯的剝離效率問題，本方法創(chuàng)新出特有的非化學(xué)鍵修飾技術(shù)，可以有效避免石墨烯二次疊片；二是針對(duì)石墨烯的純度問題，本方法采用了獨(dú)創(chuàng)的機(jī)械提純分離技術(shù)，相對(duì)于流通在市場(chǎng)上的超細(xì)石墨粉混合物等同類石墨烯產(chǎn)品，其產(chǎn)品擁有較高的純度及品質(zhì)。

1 陳集思，武 斌，劉云圻.介電層上石墨烯的制備[J].化學(xué)學(xué)報(bào)，2014，72（3）：359-366.

2 朱振峰，程 莎，董曉楠.石墨烯的制備和應(yīng)用[J].功能材料，2013，44（21）：3060-3064.

3 韓同偉，賀鵬飛，駱 英，等.石墨烯力學(xué)性能研究進(jìn)展[J].力學(xué)進(jìn)展，2016，41（3）：279-293.