石墨烯的功能與應(yīng)用
——規(guī)模制備和能源相關(guān)應(yīng)用

王斌，智林杰，2

1國家納米科學(xué)中心，納米科學(xué)卓越創(chuàng)新中心，納米系統(tǒng)與多級次制造重點實驗室，北京 100190

2中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049

2004年曼徹斯特大學(xué)報道了首個具有明確結(jié)構(gòu)的石墨烯材料1，其優(yōu)異的物理化學(xué)性質(zhì)引起了科學(xué)界和工業(yè)界的持續(xù)關(guān)注。經(jīng)過十幾年的探索，石墨烯的規(guī)模化制備和應(yīng)用已取得了長足的進步，尤其是在能源存儲和轉(zhuǎn)化等領(lǐng)域展現(xiàn)出了廣闊的應(yīng)用前景。本?？占藝鴥?nèi)部分科學(xué)家在相關(guān)領(lǐng)域的研究成果，分成兩期在2022年第1期和第2期印刷出版。上一期圍繞高質(zhì)量石墨烯的生長、性質(zhì)調(diào)控和新功能器件的開發(fā)展開了討論，本期則聚焦在石墨烯的規(guī)?；苽浜驮谀茉聪嚓P(guān)領(lǐng)域的實際應(yīng)用方面。

劉忠范團隊在高質(zhì)量石墨烯的化學(xué)氣相沉積生長(CVD)方面有長期的積累，并實現(xiàn)了石墨烯晶圓的批量制備。基于此，從使用規(guī)范和應(yīng)用場景出發(fā)，他們2介紹了石墨烯晶圓的標號化制備需求，提出按照石墨烯的品質(zhì)進行等級分類，形成面向應(yīng)用的技術(shù)標準，并重點論述了CVD規(guī)?；苽浼夹g(shù)，分析了未來可能的發(fā)展方向，對石墨烯切實走進人們的生活提出了期望。除二維形態(tài)外，石墨烯也可以形成一維纖維材料，而根據(jù)結(jié)構(gòu)的不同可以將石墨烯纖維分為兩大類：一類是通過片層的緊密有序堆積形成一維宏觀材料，另一類是利用CVD的方法將石墨烯沉積在其它的纖維材料上，形成復(fù)合功能材料。劉忠范團隊對這兩種石墨烯纖維的發(fā)展現(xiàn)狀分別進行了總結(jié)。首先介紹了通過濕法紡絲、限域水熱等組裝方法制備石墨烯纖維的過程3，詳細闡述了其性能及提升策略，并對此類纖維的應(yīng)用方向進行了歸納和展望。其次，他們介紹了模板法CVD生長石墨烯復(fù)合纖維的技術(shù)4，如在石英纖維、光纖等材料上進行沉積的過程控制和相應(yīng)的力、電、光學(xué)性質(zhì)，及其在智能傳感、光學(xué)器件、柔性電極等領(lǐng)域的應(yīng)用。

石墨烯規(guī)?；苽浼夹g(shù)的日趨成熟推動了其在多個應(yīng)用領(lǐng)域研究的快速發(fā)展，如催化、儲能、散熱、光電轉(zhuǎn)換、功能涂料等。其中，能源問題是人類生存的根本問題。在2020年9月第75屆聯(lián)合國大會上，習(xí)近平總書記向全世界做出“力爭于2030年前二氧化碳排放達到峰值，努力爭取2060年前實現(xiàn)碳中和”的承諾。發(fā)展綠色儲能技術(shù)和二氧化碳的高效還原技術(shù)是實現(xiàn)低碳經(jīng)濟的兩個重要手段。

在儲能電池方面，宋懷河等5從石墨烯的實用化角度出發(fā)，研究了石墨烯包覆天然球形石墨用作鋰離子電池負極材料時，乙炔黑導(dǎo)電劑的添加對其電化學(xué)性能的影響。在此過程中，石墨烯不僅作為活性物質(zhì)，也可作為導(dǎo)電劑來使用，而乙炔黑則發(fā)揮橋連作用，與石墨烯協(xié)同形成更加高效的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，提高了電池的容量。何海勇等6則采用還原氧化石墨烯對剝離石墨進行包覆，剝離石墨的大層間距的特點有利于鉀離子的快速脫嵌過程，同時也抑制了剝離石墨的堆疊，增強了石墨基負極在鉀離子電池中的穩(wěn)定性。吳明鉑等7綜述了近年來表面化學(xué)修飾的石墨烯、石墨烯基復(fù)合材料以及柔性材料等在鋰硫電池正極中的研究現(xiàn)狀，展望了石墨烯作為硫載體在鋰硫電池正極中的發(fā)展前景。范壯軍等8從石墨烯基的超級電容器器件出發(fā)，系統(tǒng)總結(jié)了石墨烯薄膜的簡易制備方法，綜述了通過結(jié)構(gòu)調(diào)控和表面修飾等方法來優(yōu)化石墨烯薄膜電化學(xué)性能的策略，并對石墨烯薄膜應(yīng)用所面臨的挑戰(zhàn)和未來的發(fā)展進行了總結(jié)和展望。

利用電催化技術(shù)將二氧化碳轉(zhuǎn)化為小分子燃料或高附加值化學(xué)品是構(gòu)建人工碳循環(huán)的綠色能源技術(shù)之一。邱介山等9評述了石墨烯基材料在該領(lǐng)域的研究進展，詳述了石墨烯基電催化劑的構(gòu)筑方法，探討并梳理了石墨烯的點/線缺陷、表面官能團、摻雜原子構(gòu)型、金屬單原子種類、材料表界面性質(zhì)等與還原反應(yīng)的本征構(gòu)效關(guān)系。智林杰等10通過熱解含鎳金屬的有機框架材料和二腈二胺制備了高載量鎳單原子(7.77%，w)負載的超薄氮摻雜碳納米片，其在較寬的電壓窗口內(nèi)(-0.77到-1.07 Vvs.RHE)產(chǎn)生一氧化碳的選擇性都高于90%，且具有優(yōu)良的穩(wěn)定性。該結(jié)果表明，采用有機框架材料為前驅(qū)體制備二維碳納米片可以實現(xiàn)高效負載金屬原子的功能性催化材料，對高選擇性的二氧化碳還原催化劑的結(jié)構(gòu)設(shè)計和制備有指導(dǎo)意義。

盡管石墨烯的高質(zhì)量制備和結(jié)構(gòu)、功能控制還存在許多困難與問題，但是石墨烯在許多領(lǐng)域的實際應(yīng)用卻也在快速發(fā)展。特別是利用石墨烯中存在的結(jié)構(gòu)缺陷導(dǎo)致的特殊功能，使其在催化、電化學(xué)轉(zhuǎn)化、光電轉(zhuǎn)化、電熱轉(zhuǎn)化等領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。石墨烯通過化學(xué)改性、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、多組分復(fù)合等手段更是可以有針對性地優(yōu)化其在實際使用中的性能，從而在二次電池、超級電容器、太陽能利用、導(dǎo)熱散熱、防護涂層、過濾凈化、生物傳感等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。這些應(yīng)用研究在學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界正在受到越來越多的重視，其中的有些研究成果正在逐漸實現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用，相信在不遠的將來會逐步走進人們的生活。