石墨烯能否成為新時代科技的核心材料

縱觀世界的發(fā)展史，就是一部材料的進(jìn)化史。每一種新型材料的出現(xiàn)都引領(lǐng)著一個時代的發(fā)展，改變著人類的生活方式。

被冬奧會帶火的不只冰墩墩，還有被稱為“新材料之王”的石墨烯。北京冬奧會觀禮臺座椅內(nèi)部、地毯等產(chǎn)品上，都應(yīng)用了新型石墨烯柔性發(fā)熱織物材料，能對溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)的同時，可使其溫度均衡處于20攝氏度以上。冬奧會頒獎禮儀服裝也應(yīng)用了第二代石墨烯紡織物柔性發(fā)熱材料的內(nèi)膽，可在30秒內(nèi)將溫度升高到人體的舒適溫度。

石墨烯是一種以sp雜化連接的碳原子緊密堆積成單層二維蜂窩狀晶格結(jié)構(gòu)的新材料。石墨烯具有優(yōu)異的光學(xué)、電學(xué)、力學(xué)特性，在材料學(xué)、微納加工、能源、生物醫(yī)學(xué)和藥物傳遞等方面具有重要的應(yīng)用前景，被認(rèn)為是一種未來革命性的材料。

未來的用途

科技的未來是無限的，石墨烯可以幫助我們比我們預(yù)期的更快地實現(xiàn)這一未來。

以下是在不久的將來值得期待的幾項深刻的發(fā)明：

空氣燃料

由諾貝爾獎獲得者安德烈·海姆領(lǐng)導(dǎo)的英國研究小組表明，石墨烯可用作燃料電池中的質(zhì)子交換膜。

這一發(fā)現(xiàn)讓每個人都感到驚訝，因為沒有人預(yù)料到這些膜會允許質(zhì)子通過其緊密的、一個原子厚的六邊形結(jié)構(gòu)。 此外，石墨烯膜可用于將氫氣從大氣中篩出，使移動燃料電池能夠僅依靠空氣運行。

更多的飲用水

石墨烯可以幫助解決世界水危機。 由石墨烯制成的膜可以大到讓水通過，但也小到可以過濾掉鹽分。換句話說，這些膜可以徹底改變海水淡化技術(shù)。

事實上，一種石墨烯已被證明在水過濾方面非常有效，它使悉尼港的水樣在通過過濾器一次后就可以安全飲用。

澳大利亞聯(lián)邦科學(xué)與工業(yè)研究組織 （CSIRO） 使用“graphair”在一次處理后使海水可飲用。

一個沒有銹的世界

因為它實際上是不可滲透的，所以有一天可以使用一層石墨烯涂料來消除腐蝕和生銹。 這一點非常重要，因為估計全球腐蝕成本為每年 2.5 萬億美元。

研究人員還建議使用覆蓋有石墨烯涂料的玻璃器皿或銅板作為強腐蝕性酸的容器。

保存藝術(shù)品不褪色

石墨烯具有幾個材料優(yōu)勢：它可以生產(chǎn)成大而薄的薄片; 它阻擋紫外線，并且不滲透氧氣、水分和其他腐蝕劑。

研究人員認(rèn)為，在一件藝術(shù)品之上分層，它可以防止由于光照和氧化劑（如空氣）而導(dǎo)致的不可逆轉(zhuǎn)的褪色。 他們的研究結(jié)果表明，單個保護層可以防止褪色高達(dá) 70%。

為什么神奇的材料沒有被接管？

在廣泛采用該材料之前，仍需開展工作。在更先進(jìn)的部門選擇實施之前，需要解決幾個生產(chǎn)問題。

當(dāng)前大規(guī)模生產(chǎn)的一個挑戰(zhàn)圍繞著化學(xué)氣相沉積 （CVD）。 雖然它是生產(chǎn)單層石墨烯的最佳方法，但在規(guī)模上并不理想。

這些挑戰(zhàn)也使大規(guī)模生產(chǎn)成本高昂。生產(chǎn)一克石墨烯大約需要 100 美元。 即便如此，用于大規(guī)模生產(chǎn)石墨烯的方法也會產(chǎn)生低質(zhì)量的產(chǎn)品并將碳釋放到環(huán)境中。

石墨烯基油墨為印刷紡織品增加了觸摸傳感器和電路的功能。

未來的爭奪點

世界各國高度重視并皆將石墨烯提高到空前高度，投入大量人力、物力和財力搶占這一戰(zhàn)略高地。歐盟委員會將石墨烯列為僅有的兩個“未來新興技術(shù)旗艦項目”之一。美國也將石墨烯視為同3D 打印技術(shù)同等重要的支撐未來科技發(fā)展的戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)。中國也在《新材料產(chǎn)業(yè)“十二五”發(fā)展規(guī)劃》中明確提出積極開發(fā)石墨烯材料。

1.面向應(yīng)用的石墨烯制備方法

微機械剝離法

Geim 等利用氧等離子束先在高定向熱解石墨表面刻蝕出寬20 μm～2 mm、深5 μm 的微槽，用光刻膠將其粘到玻璃襯底上進(jìn)行焙燒，再用透明膠反復(fù)地從石墨上剝離出石墨薄片，放入丙酮溶液中超聲振蕩，再將單晶硅片放入丙酮溶劑中，由于范德華力或毛細(xì)管力，單層石墨烯會吸附在硅片上，從而成功地制備出單層的石墨烯。

該方法直接從石墨上剝離出少層或者單層石墨烯，簡單易行，不需要苛刻的實驗條件，得到的石墨烯保持著完美的晶體結(jié)構(gòu)，缺陷少，質(zhì)量高。

外延生長法

該方法以單晶6H-SiC 為原料，利用氫氣刻蝕處理后，再在高真空下通過電子轟擊加熱，除去氧化物。

該方法制備的石墨烯電導(dǎo)率較高，適用于對電性能要求較高的電子器件。主要缺點是該方法會產(chǎn)生難以控制的缺陷以及多晶疇結(jié)構(gòu)，很難獲得長程有序結(jié)構(gòu)，難以制備大面積厚度單一的石墨烯。此外，制備條件苛刻、成本高，要在高壓、真空條件下進(jìn)行，分離難度大。

石墨插層法

該方法以天然鱗片石墨為原料，用堿金屬元素為插層劑，通過插層劑與石墨混合反應(yīng)得到石墨層間化合物。石墨層間化合物從兩個方面加速了石墨的剝離過程。首先，插層劑的插入增加了石墨的層間距離，削弱了石墨層間的范德華力。其次，鋰、鉀等堿金屬插入后，將一個電子輸入石墨晶格中，使晶面帶負(fù)電，產(chǎn)生靜電斥力，使得石墨晶體容易發(fā)生剝離分開。

溶液剝離法

溶劑剝離法是將石墨分散于溶劑中，形成低濃度的分散液，利用超聲或高速剪切等作用減弱石墨層間的范德華力，將溶劑插入石墨層間，進(jìn)行層層剝離，制備出石墨烯。

液相剝離法可以制備高質(zhì)量的石墨烯，整個液相剝離過程沒有引入化學(xué)反應(yīng)，避免了在石墨烯表面引入結(jié)構(gòu)缺陷，這為高性能電子器件的應(yīng)用提供了優(yōu)質(zhì)石墨烯。主要缺點是產(chǎn)率很低，不適合大規(guī)模生產(chǎn)和商業(yè)應(yīng)用。

化學(xué)氣相沉積（CVD）法

該方法通過反應(yīng)物質(zhì)在較高溫度條件下呈氣態(tài)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，退火生成固態(tài)物質(zhì)沉積在金屬基體表面，是工業(yè)上大規(guī)模制備半導(dǎo)體薄膜材料的主要方法。CVD 法制備石墨烯是通過高溫加熱，使氣體分解成碳原子和氫原子，退火使碳原子沉積在基底表面形成石墨烯。

科技的未來是無限的，石墨烯可以幫助我們比我們預(yù)期的更快地實現(xiàn)這一未來。

氧化還原法

氧化還原法可簡化為“氧化—剝離—還原”3 個步驟，在高溫或者在還原性溶液中對氧化石墨烯進(jìn)行還原反應(yīng)，恢復(fù)石墨烯完美的二維sp2 雜化結(jié)構(gòu)，得到石墨烯產(chǎn)品。

從產(chǎn)品質(zhì)量、性價比、環(huán)境友好性、純度、產(chǎn)率和產(chǎn)業(yè)化前景等方面總結(jié)了目前石墨烯的主要制備方法?？梢钥闯觯啾绕渌僮鲝?fù)雜、成本高或產(chǎn)率低的制備方法，氧化還原法可以大量、高效地制備出高質(zhì)量的石墨烯，且過程相對簡單。

2.國內(nèi)石墨烯制備現(xiàn)狀及問題

迄今為止，石墨烯的產(chǎn)業(yè)化已取得重要進(jìn)展。國內(nèi)寧波墨西科技、常州第六元素材料科技、東莞鴻納新材料科技、上海新池能源科技、廈門凱納石墨烯技術(shù)、深圳貝特瑞新能源材料等企業(yè)成為石墨烯規(guī)模化生產(chǎn)的開拓者。雖然噸級以上的石墨烯生產(chǎn)線已經(jīng)建成，但是石墨烯在市場化和產(chǎn)品化的過程中還存在許多有待解決的問題。

截至目前，尚未真正實現(xiàn)高質(zhì)量石墨烯的規(guī)模化生產(chǎn)及應(yīng)用。其中主要原因是由于石墨烯的各種卓越的性能只有在石墨烯質(zhì)量很高時才能體現(xiàn)，隨著層數(shù)的增加和內(nèi)部缺陷的累積，石墨烯諸多優(yōu)越性能都將降低，目前商業(yè)化的石墨烯產(chǎn)品普遍存在尺寸和層數(shù)不均勻、單層石墨烯含量低、比表面積遠(yuǎn)低于理論值、無法分級等問題。因此目前商業(yè)化的石墨烯產(chǎn)品滿足不了各種應(yīng)用領(lǐng)域?qū)κ┑奶厥庑枨?，?yán)重阻礙了石墨烯高性能、高附加值的大規(guī)模應(yīng)用。

綜上所述，石墨烯的未來發(fā)展方向是要致力于完成石墨烯的層數(shù)和尺寸的可控分級，實現(xiàn)分級后的石墨烯產(chǎn)品有針對性地應(yīng)用在不同領(lǐng)域，才可以有效地發(fā)揮石墨烯的高附加值特性，降低應(yīng)用成本，實現(xiàn)二維石墨烯新材料的大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，迅速推動我國在世界引領(lǐng)石墨烯的發(fā)展。

石墨烯未來會如何？中國石墨烯產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟秘書長李義春認(rèn)為：“業(yè)界雖然有爭議，但科技創(chuàng)新，什么事情都可能發(fā)生，我們要有開放的心態(tài)?！?/p>

◎來源| 綜合 撼地產(chǎn)業(yè)研究 中新網(wǎng) 百度文庫