石墨烯的未來在哪里——淺談其制備及應用

談梓賢

摘 要：石墨烯是一種新型的平面二維納米材料。其主要特點為厚度薄、強度高。石墨烯的這種特殊結(jié)構使其在光電、醫(yī)學等多領域都具有很高的應用價值。其目前在中國市場發(fā)展受到技術和政策層面的瓶頸，需通過市場化等角度來拓寬其市場。

關鍵詞：石墨烯；應用

碳材料一直被認為是工業(yè)應用中的核心材料，而石墨烯作為碳材料家族中的新成員，其歷史僅有十余年的時間，但其發(fā)展速度卻遠遠超過了諸如碳納米管等其他碳材料。一般而言，石墨烯是由一層密集的、包裹在蜂巢狀晶體上的碳原子組成，是目前世界上最薄的二維材料，厚度僅為0.35nm。這種特殊的構造也讓其具有了其他碳材料無法具有的優(yōu)秀特點。近年來，科學界對石墨烯的研究逐漸從石墨烯的制備引申到是石墨烯的應用，在光電、醫(yī)學等領域都已有了一定的成果。

本文在介紹石墨烯材料的發(fā)展歷史和其材料特性的基礎上，著重闡述了石墨烯在當前時代背景下的應用范圍，同時具體論證了石墨烯材料目前所具有的優(yōu)缺點。文章旨在對石墨烯材料作簡單的分析，并對石墨烯未來的發(fā)展方向提出對應的意見。

1 石墨烯材料簡介

1.1 石墨烯材料介紹

石墨烯是從石墨材料中剝離出來、由碳原子組成的二維晶體。它是一種由碳原子sp2雜化軌道組成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，可將其視為穩(wěn)定的苯六元環(huán)結(jié)構。它的厚度極薄，只有一個碳原子的厚度。這種特殊的結(jié)構也賦予了它優(yōu)良的物理化學特性。

1.2 石墨烯的歷史

石墨烯的相關理論研究最早可追溯到1918年，V.Kohlschütter等人于當時描述了石墨類氧化物的性質(zhì)。1948年，G.Ruess也通過電子顯微鏡觀察到了數(shù)層石墨烯的重疊物（現(xiàn)在的石墨烯為單層）。但在石墨烯被正式發(fā)現(xiàn)以前，科學界普遍認為嚴格的二維晶體無法在非絕對零度下存在[1]。這一理論直到2004年才被推翻，英國曼徹斯特大學的AndreGrim等人采用“微機械力剝離法”[2]（簡稱剝離法）將石墨片在一種特殊的膠帶上不斷地撕開一分為二，最后得到了僅由一層碳原子構成的薄片。這一實驗使得石墨烯材料一夜之間成為了科學界的熱點，也使得他們于2010年獲得了諾貝爾物理學獎。

自此以后，石墨烯的發(fā)展開始呈現(xiàn)指數(shù)級增長，短短十余年時間里，它已從實驗室理論研究擴展到市場化應用，各種石墨烯產(chǎn)品層出不窮。

1.3 石墨烯的特點

根據(jù)石墨烯的相關歷史和其結(jié)構，可以歸納出石墨烯主要有以下顯著的特點：

（1）高硬度。眾所周知，苯六元環(huán)類結(jié)構相對穩(wěn)定，而石墨烯中的苯六元環(huán)兩兩結(jié)合，形成致密的蜂窩狀結(jié)構，使得它的硬度比鋼鐵要高約100～200倍[3]。

（2）良好導電性能，具有極高的載流子遷移率[4-5]。在蜂窩狀結(jié)構中，石墨烯的每個碳原子都有一個未成鍵的p電子，這些p電子可以在晶體中高速地自由移動。因此石墨烯的電阻率低，導電性能好。

（3）極高穩(wěn)定性。石墨烯的熔點高達 3652 ?C，耐強酸強堿等惡劣環(huán)境，具有極好的穩(wěn)定性。

（4）透明性佳。光子可以穿透除原子核外的其他所有空間，因此它被認為是一種近乎透明的物質(zhì)。

2 石墨烯的發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 石墨烯的制備

經(jīng)過十余年的研究，石墨烯的制備方式已不再局限于當初最基本的剝離法。目前，常見的石墨烯制備方法主要分為剝離法、化學氣相沉淀法和氧化還原法。其中，化學氣相沉淀法（CVD）因其高效性，操作工況簡易，被認為是最有希望制備出高質(zhì)量、大面積的石墨烯，同時也是產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)石墨烯薄膜最具潛力的方法。[6]這里對該方法進行一個簡單介紹。

化學氣相沉淀法制備石墨烯主要分為碳原子的溶解和碳原子的生長兩個步驟。在溶解步驟中，甲烷、乙醇等碳氫化合物通入到高溫加熱的金屬基底Cu、Ni表面，反應持續(xù)一定時間后進行冷卻；冷卻過程中，在基底表面便會形成數(shù)層或單層石墨烯，即為碳原子的生長過程。該方法所需反應條件溫和，且生長后的石墨烯易分離，解決了制備中的難點。

2.2 石墨烯的應用

在1.3節(jié)中，文章已提到石墨烯具有硬度高、導電性能好等特點。這些特點使得石墨烯在很多領域都具有很高的應用價值：

（1）作為光電器件。光電器件中一個重要參數(shù)為載流子遷移率，過低的遷移率會導致耗熱量大、散熱困難、機器響應慢等問題。而石墨烯具有超高的載流子遷移率和熱導率，遷移率是傳統(tǒng)硅基材料的幾十甚至幾百倍。因此，石墨烯被認為是硅材料的良好替代物。從理論上來說，以石墨烯芯片為核心的電腦，其運行速度會有顯著提升。

此外，由于石墨烯比表面積高，它可以作為高比容量電池。其充電速度極快，電容量也是同規(guī)格普通電池的2倍以上。Bercerill等人還發(fā)現(xiàn)它是理想的太陽能電池應用材料，他們將石墨烯類物質(zhì)涂到石英表面后，透光率在400～1800nm下達到80%。而上海中科院上海硅酸鹽所近期研制出一種高性能超級電容器電極材料：氮摻雜有序介孔石墨烯。該材料繼承了石墨烯的電化學儲能特性，可用作電動車“超強電池”。研究發(fā)現(xiàn)，僅僅充電7秒，其就能續(xù)航35km，遠超傳統(tǒng)鋰電池充電性能。該新型石墨烯超級電容器體積輕巧，可實現(xiàn)規(guī)模生產(chǎn)。該成果也已被發(fā)表在《科學》雜志上。

（2）作為復合材料。石墨烯的優(yōu)異性能不僅體現(xiàn)在其本身，當它和別的材料結(jié)合制成復合材料時，它的特性也會反映在復合材料中[7]。例如，三星在普通機屏幕材料中加入少量的石墨烯材料，在一定工序下可制成透明可彎曲屏。這也是未來手機和電視（曲面電視）的發(fā)展方向。而Chen等人發(fā)現(xiàn)，在熱塑性聚氨酯中加入1%的石墨烯，能使其強度提高75%。

（3）作為催化劑。碳材料本身就是一種良好的催化劑載體，而石墨烯也繼承了相關特性。石墨烯的單原子層結(jié)構和高電子活性使其具有一定的生物相容性，賴斯大學的化學家開發(fā)出利用一種獨特的石墨烯嵌入金屬納米粒子的方式，從而制備出有用的燃料電池催化劑以及作用于其他應用領域。而在醫(yī)學上，Dai等人制備了聚乙二醇功能化的石墨烯，實現(xiàn)了抗腫瘤藥物在石墨烯上的高效負載。

（4）作為航天材料。石墨烯還可作為航天材料的傳感器，對大氣層或航天器本身進行檢測。而在未來，科學家設想通過使用石墨烯等材料制造“太空梯”，完成地面到空間站的運輸工作。

石墨烯技術的優(yōu)勢也不僅體現(xiàn)在材料本身的優(yōu)異性，石墨烯的發(fā)展對于整個社會的發(fā)展也具有劃時代的意義。它是一門結(jié)合了眾多學科知識的綜合性材料，因此，對石墨烯的研究也將帶動眾多領域的技術發(fā)展，其中最受益的當屬新興材料學和電子信息技術兩大學科。值得一提的是，近年來，科學家們又發(fā)現(xiàn)了碳家族的新成員——石墨炔。目前，對于石墨炔和石墨烯兩種同素異形體的性能比較的相關研究也已經(jīng)開展。當然，石墨烯材料的研究意義也不僅僅是工業(yè)應用。在不久的將來，也許普通市民也能體會到石墨烯給生活帶來的便捷，手機、電視等電器將會以曲面形式呈現(xiàn)，互動感會更強。裝修材料也更為堅固，抗臺風、抗震效果更好。有更多頑疾也將有相應的治療方案，這些都是石墨烯在未來的發(fā)展方向。

2.3 石墨烯目前存在的問題

雖然石墨烯的優(yōu)點突出，但不可否認的是，石墨烯的發(fā)展并不會一帆風順。從近兩年的情況來看，石墨烯在“實驗室——工業(yè)量產(chǎn)”的趨勢中遇到了一定的瓶頸，究其原因，主要有以下幾點：

首先，石墨烯的制備困難，制造不出高質(zhì)量石墨烯。石墨烯的制備精細度直接決定了成品的質(zhì)量。而上文提到的方法由于成本較高、且各自適用范圍較為局限，因此沒有能真正適合大規(guī)模推廣的工業(yè)量產(chǎn)技術。以化學氣相沉積法為例，在實際制造中無法保證生長出的碳原子均是完整的六元環(huán)。這其中夾雜的“五元環(huán)”、“七元環(huán)”往往會成為該產(chǎn)品的結(jié)構弱點，這也是目前石墨烯發(fā)展所面臨的最大瓶頸。

其次，石墨烯類產(chǎn)品還具有潛在的環(huán)境風險，石墨烯的相關產(chǎn)品對人體的毒理學尚不明確?？茖W家發(fā)現(xiàn)，石墨烯的衍生產(chǎn)品——“氧化石墨烯納米顆?！比绻幚聿划斉湃胨校銜O易擴散，缺乏相關的環(huán)評工作對其影響進行評估。

第三，雖然石墨烯的電學性能優(yōu)異，但就目前的技術而言，石墨烯和金屬電極的接觸點電阻很難對付。傳統(tǒng)的半導體晶體管能控制電源的開和關兩種狀態(tài)，但石墨烯過于優(yōu)秀的導電性能使得其控制的電源“只能開不能關”，而現(xiàn)有的技術尚無法完全解決這一問題。因此，目前只能通過添加其他復合材料、改變結(jié)構等方法來進行彌補。

最后，值得一提的是，政府對于石墨烯技術的扶持也并不充分。石墨烯材料研究如需獲得突破，需要得到政府的大力支持。這種支持不僅是從人力、經(jīng)濟、資源等角度，更是從公眾對石墨烯的認知角度而言。普通民眾對于這種材料相對陌生，石墨烯的市場需求尚不明朗，無法實現(xiàn)市場化。因此，政府應該在加大資金扶持，鼓勵研發(fā)石墨烯改進材料的同時，也應該通過科普講座等形式讓民眾了解石墨烯材料的優(yōu)異性能。公眾對于新材料認知程度的提高也能助推材料的市場化進程。

3 石墨烯材料的前景展望

雖然石墨烯材料仍有一定缺陷，但不可否認的是它的出現(xiàn)顛覆了先前的理論，也帶動了新材料的研究以及相關領域的發(fā)展。

未來，石墨烯材料的發(fā)展關鍵在于如下幾點：

第一，石墨烯本身材料的優(yōu)化，通過結(jié)合其他材料復合使用，或制備多層結(jié)構（微調(diào)其本身結(jié)構性能）來解決目前石墨烯應用中的難點。

第二，完善相關領域工作，對于石墨烯生產(chǎn)中的環(huán)境風險進行評估。此外，媒體不應夸大宣傳炒作。在設計產(chǎn)品時就應充分考慮了這一材料特性的產(chǎn)品，而不是用來替代現(xiàn)有產(chǎn)品里的其他材料?？偠灾?，不是產(chǎn)品是為材料服務，而是材料為產(chǎn)品服務。

最后，大力發(fā)展石墨烯的市場化、商業(yè)化，實現(xiàn)大批量商業(yè)化定制。政府應該扮演一個引導者的角色，從資金扶持和公眾推廣兩個角度發(fā)展石墨烯材料。

4 結(jié)論

石墨烯技術具有硬度高、導電性能好等特點。它在光電、化學等領域都具有良好的應用價值。目前石墨烯材料處于承前啟后的發(fā)展關鍵階段，需在發(fā)揚其優(yōu)勢的同時，努力解決自身存在的問題。而問題的解決核心在于技術的成熟化和市場化。

參考文獻

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