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你所不知道的石墨烯

冯杰

2017年07月05日 12:00

毋伟
《光明日报》


石墨烯是近年来最热的新材料之一,因为具有很好的导电、导热性,强度高,比表面积大,石墨烯预期在计算机芯片、电子材料、导热材料、高性能复合材料、环境处理、催化剂载体等诸多领域具有潜在应用。

什么是石墨烯?其实,将石墨的层状结构无限剥离,直到原子级厚度,该薄层碳材料的性质与原来的石墨有极大的不同,该薄层碳材料就是石墨烯。2004年,英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫成功地从石墨中剥离出石墨烯,并表征了它的性质,两人也因“在二维石墨烯材料的开创性实验”,共同获得2010年诺贝尔物理学奖。

石墨烯的制备主要有微机械分离法、气相合成法、化学氧化还原法以及液相剥离法等。安德烈·海姆是用胶带从石墨上剥下少量单层石墨烯片。该法虽然可以获得质量较好的单层和双层石墨烯,能部分满足实验室的研究需要,但产量和效率过低。

目前,通过化学气相沉积法在绝缘表面或金属表面生长石墨烯,是制备高质量石墨烯薄膜的重要手段,其所用的原料多为甲烷等低碳烯烃。这种方法能够生长出大面积、高质量的石墨烯膜,但是条件比较苛刻,过程比较复杂,转移较困难。而通过有机合成法可以制备具有确定结构而且无缺陷的石墨烯纳米带,并可以进一步对石墨烯纳米带进行功能化修饰。

科学家还可以从碳纳米管出发制备石墨烯。利用硫酸和氧化剂使多壁碳纳米管开链制备石墨烯纳米带,石墨烯带的宽度取决于碳纳米管的直径,然后用肼还原可恢复其电学性能。该石墨烯带可用作导电或半导体薄膜,有望成为光伏单晶硅的廉价替代物。

现在最易工业化制作石墨烯的一种工艺是氧化还原法。先将石墨粉分散在强氧化性混合酸中,例如浓硝酸和浓硫酸,然后加入高锰酸钾或氯酸钾等强氧化剂得到氧化石墨,再经过剥离处理得到氧化石墨烯,最后通过还原得到石墨烯。

我国在石墨烯领域的研究起步与发达国家相比较晚,但在近些年的努力下,文献发表量和专利数量都已经位居全球首位。2015年5月,国家金融信息中心指数研究院发布的全球首个石墨烯指数评价结果显示,我国全球石墨烯产业综合发展实力位列全球第3位,仅次于美国和日本。

从石墨烯专利技术申请领域看,2013年之前,石墨烯相关研究主要集中在制备领域。随着制备技术的完善与成熟,石墨烯专利申请不断向下游应用拓展,并开拓出新的领域。2013年至2015年间,全球新增大量关于复合纤维、涂层、功能薄膜、水处理等新兴领域的石墨烯技术专利申请,其中关于石墨烯基复合材料的专利申请几乎翻番。

当前,石墨烯有几个重要的应用方向,比如在储能领域,制作超级电容器,太阳能电池等;在复合材料方面的应用,包括塑料、橡胶、涂料、阻燃等;在电子领域的应用,比如替代多晶硅。相信未来随着技术的进步,石墨烯会有更广阔的市场。

(作者系北京化工大学教授)


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2017年07月05日 10:44
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他有理论物理研讨中做出的奉献