石墨烯需在制备与应用领域持续突破

　　【前沿材料观察③】

　　◎本报记者 崔 爽

　　在日前举办的第二十五届中国国际高新技术成果交易会上，全球首个产业化应用的二维石墨烯材料亮相。石墨烯被认为是“会改变世界的材料”。它是目前世界上已知最薄、最坚硬、导电性和导热性最好的材料。

　　对于石墨烯材料来说，2010年是一个重要的年份。这一年，诺贝尔物理学奖授予了物理学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫，表彰他们“有关二维材料石墨烯的开创性实验”，石墨烯材料也因此进入公众视野。这种既透明轻薄同时又具有超强韧度的二维材料，已经成为当下材料科学领域的“明星”。

　　用胶带“撕出”的诺贝尔奖

　　石墨烯是一种二维材料，从结构上来说，它是由碳原子以六元环组构而成的二维平面。它是碳的一种新型二维纳米结构形式，衍生于石墨。在显微镜下观察石墨截面可以发现，石墨片层是由石墨烯紧密堆叠构成的。因此，石墨烯可以被看作是一种石墨薄层，1毫米的石墨片层有大约300万层石墨烯。如果把石墨比作一本书，石墨烯就是其中的一页，只不过这一页的厚度仅有0.335纳米，是普通纸张的三十万分之一。石墨烯还是目前可见的透明度最高的材料。玻璃通常作为透明材料使用。最透明的玻璃透光率为87%，而石墨烯薄膜透光率达到97.7%，肉眼看去几乎是透明的。

　　早在19世纪中叶，科学家就发现了石墨特殊的层状结构。铅笔在纸上轻轻划过，留下的印记就是数层石墨烯。然而，科学界长期认为由于石墨烯自身的热力学不稳定性，其不可能在常温常压的条件下稳定存在。也就是说，石墨烯只存在于理论中，不是能实际存在的物质材料。

　　这种成见统治了材料科学和凝聚态物理学领域100多年，直至21世纪初被海姆和康斯坦丁戏剧性的发现所打破。据北京创新爱尚家科技股份有限公司穿戴项目负责人王玉倩介绍，两位英国科学家使用胶带将石墨烯从石墨中剥离出来，然后用显微镜观察到了这种单层的碳原子结构，证实了石墨烯的存在。他们用胶带剥离法成功分离出石墨烯的做法，是石墨烯研究的重要突破。

　　石墨烯的发现开启了二维材料世界的大门。时至今日，已经有700多种稳定存在的二维材料得到实验或理论认证。

　　提高制备技术以满足多元需求

　　大批量、低成本生产高质量的石墨烯材料，是其实现产业化应用的前提。但显然“用胶带撕下来”的剥离法并不适用于石墨烯材料规模化制备与生产。

　　目前，石墨烯的制备主要包括“自上而下”法和“自下而上”法两种工艺。所谓的“自上而下”法，指的是以石墨为起点，从石墨中层层剥离，得到二维的微观石墨烯，是一个“由多到一”的过程；而“自下而上”法是指从含碳化合物开始，利用高能量破坏掉化合物的化学键，使其中一个个的碳原子从中脱离出来后规则地聚集，生长成为石墨烯，是一个“由零到一”的过程。前者主要包括液相剥离法、氧化还原法、机械剥离法，后者则主要包括化学气相沉积法、碳化硅晶体外延生长法。

　　中国科学院院士、北京大学教授刘忠范介绍，石墨烯材料有3种不同的形态：粉体、薄膜、纤维。材料形态不同，用途也不一样。2010年至今，石墨烯材料的应用都是以粉体材料为主，用作电热产品、导电添加剂、防腐涂料等。未来10年值得期待的是一维石墨烯纤维材料，它有望用作散热膜、功能纤维、结构增强纤维，甚至超级导线等。

　　王玉倩介绍，石墨烯具有优异的导电性，可以用于制造加热垫、加热片等加热元件，可以应用于多个领域，包括智能服装穿戴、清洁建筑供暖、汽车及轨道交通等行业。在2022年北京冬奥会上，从发热座椅到工作人员、运动员的保暖服装，都应用了石墨烯发热材料和石墨烯柔性织物。这些材料和织物表现出优异性能。

　　刘忠范表示，再过10年左右，石墨烯薄膜材料或将成为主流应用材料，用其制备的水氧阻隔膜、分离膜、缓冲层、透明电极、触控屏、射频器件等，将逐渐从实验室走向产业化。因此从材料的形态上讲，从粉体材料到纤维材料，再到薄膜和晶圆材料，或许可以被视为石墨烯材料可预见的发展历程。

　　同时，石墨烯材料产业还面临着一系列技术挑战。王玉倩举例道，目前石墨烯大规模生产成本仍然较高，需要寻找更加经济高效的方法；石墨烯的制备需要更好地控制其结构和性能，以满足不同应用的需求；石墨烯的生产和处理过程中可能会产生环境污染和废弃物处理问题，需要研究环保的生产方法。尽管石墨烯具有许多优异的特性，但如何在实际应用中利用好这些特性还需要更多的研究和探索。

　　为产业寻求“杀手级应用”

　　我国是世界第二大石墨资源国，已探明的石墨资源储量为2.6亿吨，石墨基础储量约占全世界总储量的33%，具有良好的产业发展基础。

　　2015年，工业和信息化部、国家发展改革委、科技部等三部委联合发布的《关于加快石墨烯产业创新发展的若干意见》，成为我国石墨烯领域首个国家层面的纲领性文件。近年来，一系列石墨烯材料产业的相关扶持政策陆续出炉。今年8月，工业和信息化部、国务院国资委印发《前沿材料产业化重点发展指导目录(第一批)》，石墨烯名列其中。

　　无论是石墨烯材料的基础研究还是产业化，中国都已走在世界前列。经过近10年的发展，国内石墨烯材料市场中，部分下游应用领域取得突破，如石墨烯导电剂已在新能源汽车市场得到广泛应用。

　　随着国家“煤改电”等清洁能源政策的推动，全国已有几十个城市出台了扶持政策，使石墨烯电加热行业进入高速发展期。此外，石墨烯防腐涂料、石墨烯改性纺织品、石墨烯改性合金材料等应用也在不断发展成熟，中国成为石墨烯材料市场下游应用开发力度最大的国家。

　　同时值得注意的是，欧美石墨烯材料市场的下游应用多为光电器件、传感器等高精密仪器。这些仪器对石墨烯材料的要求高，因此常采用“自下而上”法制备石墨烯材料。而我国市场上的石墨烯材料大部分采用“自上而下”法，通过氧化还原反应制备，虽然成本低、产量大，但由于质量尚有待提高，因此难以在集成电路等高精密度产品中应用。

　　“我们起个大早，赶了个晚集。”刘忠范说，这也是他一直呼吁要寻找石墨烯“杀手级应用”的原因。在他看来，“杀手级应用”是建立在日趋完美的高性能石墨烯材料基础上的。“我们需要原创性的基础研究，也需要精益求精的研发和持续不断的投入。”刘忠范认为。

　　(来源：科技日报)