高纯石墨烯／氧化石墨烯的制备及应用前景研究

毕津源

（江西财经大学，南昌 330013）

石墨烯具有优良的热学、力学、电学以及光化学性能，比表面积巨大，因而它被誉为“材料之王”。目前，石墨烯已经成为国内外材料研究领域的重点研究对象。然而，石墨烯的制备及应用技术仍存在一定的欠缺，石墨烯发展的机遇与挑战并存。

1 石墨烯国内研究现状

与美国、德国等世界发达国家相比，我国石墨烯制备研究起步较晚。近年来，随着石墨烯制备技术的不断发展以及应用领域的不断拓宽，国内研究者对石墨烯的研究进入活跃状态，相关学术研究及专利不断涌现。但是，我国国内相关论文研究的质量及原创性都有待提高，专利总量不足、分布不均衡。

1.1 石墨烯主要制备方法

目前，物理方法以及化学方法是制备石墨烯的两大类主要方法。这两类方法虽然应用广泛，但是在产量、稳定性及品质等方面均存在一些缺陷[1]。具体情况如表1所示。

表1 石墨烯的制备方法及比较

1.2 石墨烯研究专利情况

随着石墨烯市场的不断扩大，我国科研工作者在石墨烯应用的各个领域不断取得创新和突破，我国石墨烯研究技术不断朝着与国际同步方向发展。然而，人们必须清醒地认识到国内石墨烯市场尚不成熟、石墨烯产业链尚不完整、核心技术有待加强。从我国石墨烯在各个领域的专利情况可以看出，石墨烯研究领域不均衡、各领域专利总量不多、自主知识产权较为不足。石墨烯研究在各领域专利情况如图1所示。现阶段，打通石墨烯产业链、提高石墨烯在各领域的自主知识产权尤为必要。

图1 石墨烯研究在各领域专利情况

2 石墨烯的应用前景

由于具有良好的电化学性能、光化学性能、机械性能等特性，石墨烯在电子器械、能源应用、生态环保以及制备高性能复合物等领域广泛应用。随着制备方法和应用技术的不断发展，石墨烯的应用领域正在不断扩大，其主要应用领域如下。

2.1 在电子领域的应用

2.1.1 散热材料

石墨烯作为目前具有最高导热系数的物质，拥有5 300 W/（m·K）的理论导热率，其理论导热率远远大于石墨。由于石墨烯具有快速散热的特性，石墨烯常作为智能手机、LED大功率节能灯、液晶电视以及平板电脑的理想散热材料。同时，石墨烯的外形几乎接近透明，符合现代设备制作对于外形的要求。在传统工艺技术中，价格低廉、导热性能高的石墨常作为散热材料。随着大功率芯片、大容量电池在手机和电脑研发中成为主流趋势，传统的石墨导热材料已经不能满足手机、电脑等设备的散热需求，而具有更强导热性能的石墨烯成为最为理想的散热薄膜材料。

2.1.2 柔性触控面

由于导电性能强、碳原子间柔韧连接，石墨烯常用作柔性材料，在OLED面板、柔性LCD以及柔性电容器触控膜中应用。目前，氧化铟锡（ITO）是最为常见的柔性触控屏材料，并构成了柔性触控屏40%左右的成本。相较于石墨，石墨烯的产品性能在透明度、导电性以及柔韧性等方面更为优良。同时，在材料制作方面，ITO导电膜以稀有金属铟作为原材料，面临资源供给不足的问题。可见，随着石墨烯制作工艺的成熟和制作成本的下降，石墨烯在柔性触控屏领域替代石墨烯成为可能。

2.1.3 应力传感器

石墨烯具有纳米级大小尺寸以及准连续的内部结构，使得其可以在柔性衬底上自由转移，从而使得石墨烯成为制作高透明度、高柔韧性的应力传感器的理想材料。目前，随着可穿戴市场的发展，石墨烯正好满足了可穿戴设备对于高灵敏度、高柔韧性材料的需求，因此石墨烯也成为移动追踪器、智能手表、智能通信设备等可穿戴设备的原材料。同时，石墨烯拥有超过500的灵敏因子，在人造电子皮肤中广泛应用。

2.1.4 芯片材料

目前，国际顶尖的科技公司已经掌握了使用石墨烯制作半导体材料的关键技术。由于制备石墨烯制作半导体属于高级应用，国际上只有少数科技公司掌握了该项技术，其中美国IBM、韩国SAMSUNG的技术最为领先。石墨烯在电子领域的具体应用如表2所示。以石墨烯为原材料制作晶体管，可以使集成电路具备传输效率高、稳定性强、耗能低的优良性能。随着石墨烯制备芯片技术的不断普及，石墨烯有望成为半导体原料之王[2]。

2.2 石墨烯在能源领域的应用

目前,石墨烯在能源领域的具体应用情况如表3所示。

2.2.1 超级电容

具有极高导电率以及巨大比表面积的石墨烯是制备超级电容的最佳材料。随着科技的发展，以石墨烯为原材料，制作大功率、大容量、长寿命、安全环保的新型超级电容技术不断推广，石墨烯也因此广为关注。

2.2.2 电池材料

随着全球能源危机不断加剧，使用清洁能源，走可持续发展道路成为我国发展的必然选择，电力作为一种可再生清洁能源被广泛推崇。随着电力的广泛应用，人们迫切需要具有较高续航能力、较大容量、较高散热能力的高性能电池。石墨烯可作为电池催化剂，相比于传统的催化剂铂，具有活性强、价格低的优势。可见，石墨烯作为较为理想的电池催化剂，具有极高的应用前景。

2.3 石墨烯在复合材料中的应用

2.3.1 电缆保护材料

目前，虽然铜是我国电缆保护材料的主要材料，但是随着石墨烯复合物制备技术的不断推广，石墨烯有望替代重金属铜而成为制备电缆导体的首选材料。相比于重金属铜，石墨烯具有导电性能较强、电阻率极小、价格较低的优势。同时，在电磁屏防护方面，石墨烯相比于传统的金属丝编制屏蔽层、镀锡屏蔽层，不仅可以提高屏蔽外界干扰的效果，还可以防止屏蔽间隙的发生，提高电缆保护材料的绝缘性能[3]。

2.3.2 功能涂料

由于具备优良的热学、力学以及电学等性能，石墨烯复合物已经成为研发制备新一代功能涂料的重点关注对象。石墨烯具有众多的含氧官能团，能够与有机物树脂、高分子化合物结合，是制备功能化材料的首选。同时，石墨烯的优良性能使其在制备具有防腐、防水以及除静电的性能的功能涂料领域广泛应用。

表2 石墨烯在电子领域的应用

表3 石墨烯在复合材料中的应用

2.3.3 环保吸附剂

由于具有较强的吸附能力且成本较低，石墨烯和氧化石墨烯常作为环保吸附剂而在污水治理、空气净化等领域广泛应用。随着经济的发展，环境污染问题日益得到人们的关注，污染治理刻不容缓。由于具有极大的比表面积，石墨烯的吸附能力强，特别是修饰石墨烯的官能团后，石墨烯能够有效吸附阳性重金属粒子。随着石墨烯官能团修饰技术的发展，石墨烯将在污染防治方面发挥巨大作用。

3 石墨烯/氧化石墨烯制备新技术研究

针对石墨烯的国内研究现状及广阔的研究前景，笔者通过运用所学知识，对石墨烯制备技术进行研究，研发出酸素石墨烯原位还原法，其主要技术路线如下：选取酸素石墨烯为制备原材料，在真空、氮气或惰性气体环境以及200～1 200℃的高温环境下，对原材料进行高温及原位还原处理；依次对半成品进行球磨法、搅拌法以及行星磨法处理；为了防止在第二步骤中已被剥离的石墨稀发生二次重合或聚集，必须加入分散剂以及非化学键修饰剂，从而保证石墨烯的产量与质量；使用物理离心技术将石墨烯分离，得到高纯度石墨烯/氧化石墨烯。

本方法以酸性石墨作为原料，具有原料价格低廉、工艺流程简单、技术绿色环保、产量高等优点。同时，采用本方法制备出的石墨稀/氧化石墨烯拥有较高的纯度且品质较高。本方法主要有两项关键技术创新：一是针对石墨烯的剥离效率问题，本方法创新出特有的非化学键修饰技术，可以有效避免石墨烯二次叠片；二是针对石墨烯的纯度问题，本方法采用了独创的机械提纯分离技术，相对于流通在市场上的超细石墨粉混合物等同类石墨烯产品，其产品拥有较高的纯度及品质。

1 陈集思，武 斌，刘云圻.介电层上石墨烯的制备[J].化学学报，2014，72（3）：359-366.

2 朱振峰，程 莎，董晓楠.石墨烯的制备和应用[J].功能材料，2013，44（21）：3060-3064.

3 韩同伟，贺鹏飞，骆 英，等.石墨烯力学性能研究进展[J].力学进展，2016，41（3）：279-293.