石墨烯的功能與應(yīng)用
——生長(zhǎng)、性質(zhì)與新器件

王斌，智林杰,2

1國(guó)家納米科學(xué)中心，納米科學(xué)卓越創(chuàng)新中心，納米系統(tǒng)與多級(jí)次制造重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100190

2中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049

石墨烯原子層厚度的二維平面結(jié)構(gòu)以及其獨(dú)特的物理化學(xué)性質(zhì)引起了國(guó)際學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注1，同時(shí)也賦予石墨烯豐富多樣的光、熱、電、磁、力等功能。石墨烯的結(jié)晶度、旋轉(zhuǎn)錯(cuò)位、物理形變等無(wú)不引起其功能的顯著變化，而雜原子摻雜、可設(shè)計(jì)孔洞、選擇性邊緣結(jié)構(gòu)、特異性復(fù)合等也往往賦予石墨烯特殊的性能與應(yīng)用。同時(shí)，在納米與分子尺度上對(duì)石墨烯的結(jié)構(gòu)、骨架、孔道等進(jìn)行設(shè)計(jì)與構(gòu)建更能衍生出許多全新的功能化石墨烯材料，有可能會(huì)帶來(lái)科學(xué)上的重大發(fā)現(xiàn)。本專(zhuān)刊收集了國(guó)內(nèi)部分科學(xué)家在相關(guān)領(lǐng)域的研究成果，通過(guò)主題聚焦、思想碰撞來(lái)探索石墨烯獨(dú)特的功能與應(yīng)用價(jià)值，為推動(dòng)石墨烯材料實(shí)際應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)指導(dǎo)。本專(zhuān)刊分成兩期在2022年第1期和第2期印刷出版。本期主要圍繞高質(zhì)量石墨烯的生長(zhǎng)、性質(zhì)調(diào)控和新功能器件的開(kāi)發(fā)展開(kāi)討論，下一期則聚焦在功能化石墨烯的規(guī)?；苽浜湍茉聪嚓P(guān)的應(yīng)用研究上。

石墨烯的功能和應(yīng)用首當(dāng)其沖面臨的難題是高質(zhì)量石墨烯的制備。劉忠范和丁峰等2首先從理論計(jì)算的角度，總結(jié)了各種金屬襯底在石墨烯化學(xué)氣相沉積（CVD）生長(zhǎng)過(guò)程中的各種作用與相應(yīng)的機(jī)理，包括在催化碳裂解、修復(fù)生長(zhǎng)過(guò)程中產(chǎn)生的缺陷、以及在降溫過(guò)程中石墨烯褶皺與金屬表面臺(tái)階束的形成過(guò)程等，為實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象提供合理的解釋?zhuān)瑫r(shí)為將來(lái)的實(shí)驗(yàn)提供可能的指導(dǎo)。除了金屬襯底，CVD過(guò)程中的另一個(gè)要素是氣相。劉忠范團(tuán)隊(duì)3進(jìn)一步綜述了氣相反應(yīng)帶來(lái)的影響，包括氣相傳質(zhì)過(guò)程和氣相反應(yīng)過(guò)程，以及在氣相反應(yīng)調(diào)控下石墨烯的結(jié)晶度、潔凈度、層數(shù)和生長(zhǎng)速度等參數(shù)的變化規(guī)律，給CVD石墨烯的生長(zhǎng)提供了新的切入視角。在長(zhǎng)期理論和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)積累的基礎(chǔ)上，劉忠范團(tuán)隊(duì)在超潔凈石墨烯的控制生長(zhǎng)方面做出了突出的貢獻(xiàn)。他們也對(duì)此進(jìn)行了總結(jié)4，分析了石墨烯生長(zhǎng)過(guò)程中表面污染物的形成機(jī)理，綜述了超潔凈石墨烯的制備方法，列舉了其優(yōu)異的性質(zhì)，并對(duì)該領(lǐng)域未來(lái)發(fā)展可能面臨的機(jī)遇和挑戰(zhàn)進(jìn)行了展望。

石墨烯的制備是基礎(chǔ)，其功能和應(yīng)用則是重要的出口。為滿足不同的應(yīng)用需求，在石墨烯本征物性的基礎(chǔ)上，往往還需要對(duì)其進(jìn)行功能化，但目前對(duì)于石墨烯功能化產(chǎn)物缺乏系統(tǒng)全面的分類(lèi)和精確的定義。智林杰等5在系統(tǒng)總結(jié)現(xiàn)有石墨烯功能化研究的基礎(chǔ)上，給出了石墨烯功能化產(chǎn)物的系統(tǒng)分類(lèi)、各類(lèi)的精確定義和相應(yīng)的制備策略，并通過(guò)典型示例進(jìn)行了詳細(xì)地論述。對(duì)該領(lǐng)域的系統(tǒng)總結(jié)將有助于功能化石墨烯材料的進(jìn)一步發(fā)展。

在功能化石墨烯的基本物性方面，康飛宇等6介紹了應(yīng)用于石墨烯熱導(dǎo)率測(cè)量的微納尺度傳熱技術(shù)，并展示了當(dāng)前的理論研究成果及石墨烯在導(dǎo)熱材料中的應(yīng)用，包括高導(dǎo)熱的石墨烯膜、纖維及熱界面材料等。王斌等7則從石墨烯的力學(xué)性質(zhì)出發(fā)，總結(jié)了采用層間共價(jià)鍵連接的方式來(lái)克服石墨烯層間弱作用力的策略，以此實(shí)現(xiàn)石墨烯力學(xué)性能的提升，同時(shí)介紹了層間共價(jià)成鍵所采用的方法和性質(zhì)及其分析手段，提出了下一步的發(fā)展方向。

功能化不僅優(yōu)化了石墨烯的傳統(tǒng)物性，也為基于其新性質(zhì)的器件開(kāi)發(fā)帶來(lái)了新的思路。任文才等8綜述了近年來(lái)石墨烯表面電荷轉(zhuǎn)移摻雜的研究現(xiàn)狀，著重介紹了最新發(fā)展的高效p型和n型摻雜劑，并探討了基于摻雜石墨烯透明電極的高性能光電器件的發(fā)展趨勢(shì)?；谌S石墨烯組裝體材料優(yōu)異的吸光和光熱轉(zhuǎn)化效率等性質(zhì)，曲良體等9介紹了高效、綠色的光熱水凈化、收集器件，為水資源的循環(huán)利用提供了新的途徑。周建新等10則圍繞自供能器件的基本能量供給原理，包括電化學(xué)供能、光伏供能、摩擦電供能、水伏供能等，介紹了石墨烯在自供能傳感器件中的應(yīng)用，并對(duì)基于石墨烯的自供能傳感器件的未來(lái)發(fā)展、挑戰(zhàn)和前景進(jìn)行了展望。陳成猛等11將三維銅/石墨烯氣凝膠作為相變儲(chǔ)能骨架材料，制備了結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性高、泄漏率低的復(fù)合材料，該類(lèi)結(jié)構(gòu)的構(gòu)筑對(duì)未來(lái)的相變儲(chǔ)能、多孔微波吸收等新生研究方向有重要的參考價(jià)值。

高質(zhì)量石墨烯的制備是其高端應(yīng)用的基礎(chǔ)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行功能化改性，可以獲得對(duì)其結(jié)構(gòu)和性質(zhì)關(guān)系的清晰認(rèn)識(shí)，健全理論機(jī)制，指導(dǎo)并創(chuàng)制出新型的功能器件，拓展石墨烯的應(yīng)用前景。這些基礎(chǔ)研究不僅引起了學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注，而且得到了工業(yè)界的高度重視。為將功能化石墨烯材料推向產(chǎn)業(yè)化，研究人員對(duì)其規(guī)?；苽浼夹g(shù)和實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行了長(zhǎng)期、大量的探索，并取得了一定的成績(jī)。在本專(zhuān)刊的下期介紹中，我們收集了功能化石墨烯相關(guān)的規(guī)?；苽浼捌湓谀茉搭I(lǐng)域相關(guān)應(yīng)用中的一些最新進(jìn)展報(bào)告。這兩期的內(nèi)容整體上涵蓋了石墨烯的制備理論、方法、性質(zhì)、新功能探索和規(guī)?；瘧?yīng)用等，全方位展現(xiàn)了石墨烯功能和應(yīng)用的發(fā)展現(xiàn)狀，希望《物理化學(xué)學(xué)報(bào)》的讀者通過(guò)閱讀本專(zhuān)刊中的文章，能對(duì)該領(lǐng)域有一些新的認(rèn)識(shí)。