石墨烯能否成为新时代科技的核心材料

纵观世界的发展史，就是一部材料的进化史。每一种新型材料的出现都引领着一个时代的发展，改变着人类的生活方式。

被冬奥会带火的不只冰墩墩，还有被称为“新材料之王”的石墨烯。北京冬奥会观礼台座椅内部、地毯等产品上，都应用了新型石墨烯柔性发热织物材料，能对温度进行调节的同时，可使其温度均衡处于20摄氏度以上。冬奥会颁奖礼仪服装也应用了第二代石墨烯纺织物柔性发热材料的内胆，可在30秒内将温度升高到人体的舒适温度。

石墨烯是一种以sp杂化连接的碳原子紧密堆积成单层二维蜂窝状晶格结构的新材料。石墨烯具有优异的光学、电学、力学特性，在材料学、微纳加工、能源、生物医学和药物傳递等方面具有重要的应用前景，被认为是一种未来革命性的材料。

未来的用途

科技的未来是无限的，石墨烯可以帮助我们比我们预期的更快地实现这一未来。

以下是在不久的将来值得期待的几项深刻的发明：

空气燃料

由诺贝尔奖获得者安德烈·海姆领导的英国研究小组表明，石墨烯可用作燃料电池中的质子交换膜。

这一发现让每个人都感到惊讶，因为没有人预料到这些膜会允许质子通过其紧密的、一个原子厚的六边形结构。 此外，石墨烯膜可用于将氢气从大气中筛出，使移动燃料电池能够仅依靠空气运行。

更多的饮用水

石墨烯可以帮助解决世界水危机。 由石墨烯制成的膜可以大到让水通过，但也小到可以过滤掉盐分。换句话说，这些膜可以彻底改变海水淡化技术。

事实上，一种石墨烯已被证明在水过滤方面非常有效，它使悉尼港的水样在通过过滤器一次后就可以安全饮用。

澳大利亚联邦科学与工业研究组织 （CSIRO） 使用“graphair”在一次处理后使海水可饮用。

一个没有锈的世界

因为它实际上是不可渗透的，所以有一天可以使用一层石墨烯涂料来消除腐蚀和生锈。 这一点非常重要，因为估计全球腐蚀成本为每年 2.5 万亿美元。

研究人员还建议使用覆盖有石墨烯涂料的玻璃器皿或铜板作为强腐蚀性酸的容器。

保存艺术品不褪色

石墨烯具有几个材料优势：它可以生产成大而薄的薄片; 它阻挡紫外线，并且不渗透氧气、水分和其他腐蚀剂。

研究人员认为，在一件艺术品之上分层，它可以防止由于光照和氧化剂（如空气）而导致的不可逆转的褪色。 他们的研究结果表明，单个保护层可以防止褪色高达 70%。

为什么神奇的材料没有被接管？

在广泛采用该材料之前，仍需开展工作。在更先进的部门选择实施之前，需要解决几个生产问题。

当前大规模生产的一个挑战围绕着化学气相沉积 （CVD）。 虽然它是生产单层石墨烯的最佳方法，但在规模上并不理想。

这些挑战也使大规模生产成本高昂。生产一克石墨烯大约需要 100 美元。 即便如此，用于大规模生产石墨烯的方法也会产生低质量的产品并将碳释放到环境中。

石墨烯基油墨为印刷纺织品增加了触摸传感器和电路的功能。

未来的争夺点

世界各国高度重视并皆将石墨烯提高到空前高度，投入大量人力、物力和财力抢占这一战略高地。欧盟委员会将石墨烯列为仅有的两个“未来新兴技术旗舰项目”之一。美国也将石墨烯视为同3D 打印技术同等重要的支撑未来科技发展的战略性产业。中国也在《新材料产业“十二五”发展规划》中明确提出积极开发石墨烯材料。

1.面向应用的石墨烯制备方法

微机械剥离法

Geim 等利用氧等离子束先在高定向热解石墨表面刻蚀出宽20 μm～2 mm、深5 μm 的微槽，用光刻胶将其粘到玻璃衬底上进行焙烧，再用透明胶反复地从石墨上剥离出石墨薄片，放入丙酮溶液中超声振荡，再将单晶硅片放入丙酮溶剂中，由于范德华力或毛细管力，单层石墨烯会吸附在硅片上，从而成功地制备出单层的石墨烯。

该方法直接从石墨上剥离出少层或者单层石墨烯，简单易行，不需要苛刻的实验条件，得到的石墨烯保持着完美的晶体结构，缺陷少，质量高。

外延生长法

该方法以单晶6H-SiC 为原料，利用氢气刻蚀处理后，再在高真空下通过电子轰击加热，除去氧化物。

该方法制备的石墨烯电导率较高，适用于对电性能要求较高的电子器件。主要缺点是该方法会产生难以控制的缺陷以及多晶畴结构，很难获得长程有序结构，难以制备大面积厚度单一的石墨烯。此外，制备条件苛刻、成本高，要在高压、真空条件下进行，分离难度大。

石墨插层法

该方法以天然鳞片石墨为原料，用碱金属元素为插层剂，通过插层剂与石墨混合反应得到石墨层间化合物。石墨层间化合物从两个方面加速了石墨的剥离过程。首先，插层剂的插入增加了石墨的层间距离，削弱了石墨层间的范德华力。其次，锂、钾等碱金属插入后，将一个电子输入石墨晶格中，使晶面带负电，产生静电斥力，使得石墨晶体容易发生剥离分开。

溶液剥离法

溶剂剥离法是将石墨分散于溶剂中，形成低浓度的分散液，利用超声或高速剪切等作用减弱石墨层间的范德华力，将溶剂插入石墨层间，进行层层剥离，制备出石墨烯。

液相剝离法可以制备高质量的石墨烯，整个液相剥离过程没有引入化学反应，避免了在石墨烯表面引入结构缺陷，这为高性能电子器件的应用提供了优质石墨烯。主要缺点是产率很低，不适合大规模生产和商业应用。

化学气相沉积（CVD）法

该方法通过反应物质在较高温度条件下呈气态发生化学反应，退火生成固态物质沉积在金属基体表面，是工业上大规模制备半导体薄膜材料的主要方法。CVD 法制备石墨烯是通过高温加热，使气体分解成碳原子和氢原子，退火使碳原子沉积在基底表面形成石墨烯。

科技的未来是无限的，石墨烯可以帮助我们比我们预期的更快地实现这一未来。

氧化还原法

氧化还原法可简化为“氧化—剥离—还原”3 个步骤，在高温或者在还原性溶液中对氧化石墨烯进行还原反应，恢复石墨烯完美的二维sp2 杂化结构，得到石墨烯产品。

从产品质量、性价比、环境友好性、纯度、产率和产业化前景等方面总结了目前石墨烯的主要制备方法。可以看出，相比其他操作复杂、成本高或产率低的制备方法，氧化还原法可以大量、高效地制备出高质量的石墨烯，且过程相对简单。

2.国内石墨烯制备现状及问题

迄今为止，石墨烯的产业化已取得重要进展。国内宁波墨西科技、常州第六元素材料科技、东莞鸿纳新材料科技、上海新池能源科技、厦门凯纳石墨烯技术、深圳贝特瑞新能源材料等企业成为石墨烯规模化生产的开拓者。虽然吨级以上的石墨烯生产线已经建成，但是石墨烯在市场化和产品化的过程中还存在许多有待解决的问题。

截至目前，尚未真正实现高质量石墨烯的规模化生产及应用。其中主要原因是由于石墨烯的各种卓越的性能只有在石墨烯质量很高时才能体现，随着层数的增加和内部缺陷的累积，石墨烯诸多优越性能都将降低，目前商业化的石墨烯产品普遍存在尺寸和层数不均匀、单层石墨烯含量低、比表面积远低于理论值、无法分级等问题。因此目前商业化的石墨烯产品满足不了各种应用领域对石墨烯的特殊需求，严重阻碍了石墨烯高性能、高附加值的大规模应用。

综上所述，石墨烯的未来发展方向是要致力于完成石墨烯的层数和尺寸的可控分级，实现分级后的石墨烯产品有针对性地应用在不同领域，才可以有效地发挥石墨烯的高附加值特性，降低应用成本，实现二维石墨烯新材料的大规模产业化应用，迅速推动我国在世界引领石墨烯的发展。

石墨烯未来会如何？中国石墨烯产业技术创新战略联盟秘书长李义春认为：“业界虽然有争议，但科技创新，什么事情都可能发生，我们要有开放的心态。”

◎来源| 综合 撼地产业研究 中新网 百度文库