石墨烯的魅惑

■ 陸　鳴

石墨烯的魅惑

■ 陸鳴

驚艷

石墨烯（Graphene）又稱單層石墨片，是由一層排列在六角型（蜂巢晶格狀）上的碳原子所構(gòu)成的薄膜，也是當(dāng)前唯一發(fā)現(xiàn)的二維自由態(tài)原子晶體。由于特殊的微觀結(jié)構(gòu)，它的柔韌性和堅(jiān)固性令人難以置信：比鋼鐵強(qiáng)韌200倍，可以彎曲到很大角度而不斷裂。美國(guó)工程專家杰弗雷·基薩教授曾用一種形象的方法解釋石墨烯的強(qiáng)度：如果將一張和食品保鮮膜一樣薄的石墨烯薄片覆蓋在一只杯子上，然后試圖用一支鉛筆戳穿它，那么需要一頭大象站在鉛筆上才能辦到。

石墨烯微觀結(jié)構(gòu)示意圖

2014年12月，西班牙Graphenano公司同西班牙科爾瓦多大學(xué)宣布合作研究出首例石墨烯聚合材料電池，其儲(chǔ)電能力是目前市場(chǎng)最好產(chǎn)品的3倍，用此電池提供電力的電動(dòng)車最多能行駛1000公里，而其充電時(shí)間不到8分鐘。

2015年12月，學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》發(fā)表了中科院上海硅酸鹽研究所研制出的一種新型氮摻雜有序介孔石墨烯超級(jí)電容器電極材料的重要研究成果，其電化學(xué)儲(chǔ)能特性極佳，可用作電動(dòng)車的“超強(qiáng)電池”——充電只需7秒鐘即可續(xù)航35公里。這使傳統(tǒng)的機(jī)動(dòng)車燃料——汽（柴）油面臨著巨大的挑戰(zhàn)。

今年4月，一款可以彎曲的智能石墨烯柔性屏手機(jī)在重慶面世，也是全球首款石墨烯柔性屏可彎曲智能手機(jī)。這款石墨烯柔性屏手機(jī)屏幕有5.2英寸大，重量只有200多克，可以彎曲成一個(gè)圓環(huán)，像手表一樣戴在手腕上。

目前，石墨烯在國(guó)際材料界風(fēng)頭正盛，已有40多家企業(yè)與英國(guó)曼徹斯特大學(xué)的235名研究人員合作開展石墨烯和相關(guān)二維材料的研究。

揭秘

2004年，曼徹斯特大學(xué)的物理學(xué)家安德烈·海姆（Andre Geim）和康斯坦丁·諾沃肖洛夫（Konstantin Novoselov），在實(shí)驗(yàn)室找到了一種從石墨中簡(jiǎn)單分離出石墨烯的方法，證實(shí)了石墨烯可以單獨(dú)存在。他們還在單層和雙層石墨烯體系中分別發(fā)現(xiàn)了整數(shù)量子霍爾效應(yīng)及常溫條件下的量子霍爾效應(yīng)，這給石墨烯的應(yīng)用提供了許多新的途徑。正是因?yàn)檫@一突出貢獻(xiàn)，兩位科學(xué)家被授予2010年度諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

從化學(xué)成分看，石墨烯與鉆石一樣，本質(zhì)都是碳。由于石墨烯的單層碳原子之間相互連接成穩(wěn)定的六角網(wǎng)格（很多研究已經(jīng)證明，將網(wǎng)格點(diǎn)排列成六角網(wǎng)格的形式是一種最佳排列），所以它既柔韌又堅(jiān)固。同時(shí)還具有導(dǎo)電性高、韌度高、強(qiáng)度大、比表面積超大等優(yōu)點(diǎn)。（Chemical Vapor Deposition，簡(jiǎn)稱CVD）、氧化—還原法、溶劑剝離法4種，此外還有溶劑熱法、高溫還原法、光照還原法、外延晶體生長(zhǎng)法、微波法、電弧法、電化學(xué)法等。

用氣相沉積法和物理的撕膠帶方法得到的石墨烯，缺陷少、質(zhì)量高，缺點(diǎn)是產(chǎn)量少、成本高。而通過化學(xué)法還原得到的石墨烯其實(shí)是還原的石墨烯氧化物（Reduced Graphene Oxide，即RGO），石墨片層數(shù)目不等（如單層石墨烯、雙層石墨烯和少層石墨烯等），產(chǎn)品表面有一些基團(tuán)（比如羥基、羧基等，數(shù)量視還原程度而定），表面或多或少有一些缺陷。目前市場(chǎng)上所謂的石墨烯多是氧化石墨烯，其在導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性和機(jī)械性方面都與石墨烯相差很大，并不是真正意義上的“石墨烯”。

應(yīng)用

石墨烯被認(rèn)為是當(dāng)前唯一發(fā)現(xiàn)的二維自由態(tài)原子晶體，只有一個(gè)碳原子的厚度。如何理解這一薄度呢？1毫米厚的石墨薄片中能剝離出300萬層石墨烯！這種一層原子的厚度使得石墨烯在可見光下呈透明但又不透氣的狀態(tài)，其電子運(yùn)動(dòng)被限制在同一平面，這讓石墨烯具備了全新的電學(xué)屬性，在觸摸屏、傳感器、蓄電池等領(lǐng)域的應(yīng)用讓人充滿想象。

石墨烯用途雖廣，但對(duì)它的工業(yè)前途應(yīng)謹(jǐn)慎樂觀。因?yàn)樗械牟牧隙加衅溥m用范圍，比如鋼堅(jiān)硬但沉重，木頭輕便卻易腐。

首先限制石墨烯應(yīng)用的就是它的制作方法。國(guó)際上對(duì)石墨烯的定義是1～2層的納米片（nanosheet），是一種單質(zhì)存在形式，并且只有不存在任何缺陷的石墨烯才具備這些完美特性。理論上講，只要能把鉛筆芯（用石墨粉末和黏土混合后烘干制成）分離得足夠薄就能得到石墨烯。但是，從鉛筆芯里提取出石墨烯并不是那么簡(jiǎn)單。實(shí)際生產(chǎn)的石墨烯多為多層，不僅表面存在缺陷，而且導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性和機(jī)械性方面都與真正的石墨烯相差很大。

目前，石墨烯和石墨烯電池的研發(fā)更多地停留在實(shí)驗(yàn)室階段。即便是投入到工業(yè)生產(chǎn)中，也有人質(zhì)疑石墨烯電池的說法不夠嚴(yán)謹(jǐn)。實(shí)際上，石墨烯在鋰離子電池加工過程中可以直接發(fā)揮作用的領(lǐng)域只有兩個(gè)——負(fù)極材料和導(dǎo)電添加劑。但石墨烯的振實(shí)和壓實(shí)密度都非常低，成本昂貴，無法單獨(dú)直接用作鋰離子電池負(fù)極。

前途制作

生產(chǎn)石墨烯的制備方法主要有機(jī)械剝離法、化學(xué)氣相沉積法

當(dāng)然，隨著批量化生產(chǎn)和大尺寸難題的逐步突破，石墨烯產(chǎn)業(yè)化步伐正在加快，國(guó)內(nèi)外相關(guān)機(jī)構(gòu)的科研投入也在上升?？茖W(xué)家預(yù)計(jì)，未來5～10年石墨烯研究會(huì)有很大發(fā)展，超薄超輕型飛機(jī)、超薄可折疊手機(jī)、高強(qiáng)度航空材料，甚至更富想象力的太空電梯等研發(fā)項(xiàng)目將在相關(guān)領(lǐng)域引發(fā)革命性的變化，并帶動(dòng)價(jià)值數(shù)萬億美元新興產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展。