石墨烯的未來(lái)在哪里——淺談其制備及應(yīng)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(diǎn)為厚度薄、強(qiáng)度高。石墨烯的這種特殊結(jié)構(gòu)使其在光電、醫(yī)學(xué)等多領(lǐng)域都具有很高的應(yīng)用價(jià)值。其目前在中國(guó)市場(chǎng)發(fā)展受到技術(shù)和政策層面的瓶頸，需通過(guò)市場(chǎng)化等角度來(lái)拓寬其市場(chǎng)。

關(guān)鍵詞：石墨烯；應(yīng)用

碳材料一直被認(rèn)為是工業(yè)應(yīng)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(shí)間，但其發(fā)展速度卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)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(gòu)造也讓其具有了其他碳材料無(wú)法具有的優(yōu)秀特點(diǎn)。近年來(lái)，科學(xué)界對(duì)石墨烯的研究逐漸從石墨烯的制備引申到是石墨烯的應(yīng)用，在光電、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)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(chǔ)上，著重闡述了石墨烯在當(dāng)前時(shí)代背景下的應(yīng)用范圍，同時(shí)具體論證了石墨烯材料目前所具有的優(yōu)缺點(diǎn)。文章旨在對(duì)石墨烯材料作簡(jiǎn)單的分析，并對(duì)石墨烯未來(lái)的發(fā)展方向提出對(duì)應(yīng)的意見(jiàn)。

1 石墨烯材料簡(jiǎn)介

1.1 石墨烯材料介紹

石墨烯是從石墨材料中剝離出來(lái)、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(gòu)。它的厚度極薄，只有一個(gè)碳原子的厚度。這種特殊的結(jié)構(gòu)也賦予了它優(yōu)良的物理化學(xué)特性。

1.2 石墨烯的歷史

石墨烯的相關(guān)理論研究最早可追溯到1918年，V.Kohlschütter等人于當(dāng)時(shí)描述了石墨類氧化物的性質(zhì)。1948年，G.Ruess也通過(guò)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(xué)界普遍認(rèn)為嚴(yán)格的二維晶體無(wú)法在非絕對(duì)零度下存在[1]。這一理論直到2004年才被推翻，英國(guó)曼徹斯特大學(xué)的AndreGrim等人采用“微機(jī)械力剝離法”[2]（簡(jiǎn)稱剝離法）將石墨片在一種特殊的膠帶上不斷地撕開(kāi)一分為二，最后得到了僅由一層碳原子構(gòu)成的薄片。這一實(shí)驗(yàn)使得石墨烯材料一夜之間成為了科學(xué)界的熱點(diǎn)，也使得他們于2010年獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

自此以后，石墨烯的發(fā)展開(kāi)始呈現(xiàn)指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，短短十余年時(shí)間里，它已從實(shí)驗(yàn)室理論研究擴(kuò)展到市場(chǎng)化應(yīng)用，各種石墨烯產(chǎn)品層出不窮。

1.3 石墨烯的特點(diǎn)

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

（1）高硬度。眾所周知，苯六元環(huán)類結(jié)構(gòu)相對(duì)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(gòu)，使得它的硬度比鋼鐵要高約100～200倍[3]。

（2）良好導(dǎo)電性能，具有極高的載流子遷移率[4-5]。在蜂窩狀結(jié)構(gòu)中，石墨烯的每個(gè)碳原子都有一個(gè)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(dòng)。因此石墨烯的電阻率低，導(dǎo)電性能好。

（3）極高穩(wěn)定性。石墨烯的熔點(diǎn)高達(dá) 3652 ?C，耐強(qiáng)酸強(qiáng)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(rèn)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(guò)十余年的研究，石墨烯的制備方式已不再局限于當(dāng)初最基本的剝離法。目前，常見(jiàn)的石墨烯制備方法主要分為剝離法、化學(xué)氣相沉淀法和氧化還原法。其中，化學(xué)氣相沉淀法（CVD）因其高效性，操作工況簡(jiǎn)易，被認(rèn)為是最有希望制備出高質(zhì)量、大面積的石墨烯，同時(shí)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(duì)該方法進(jìn)行一個(gè)簡(jiǎn)單介紹。

化學(xué)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(zhǎng)兩個(gè)步驟。在溶解步驟中，甲烷、乙醇等碳?xì)浠衔锿ㄈ氲礁邷丶訜岬慕饘倩證u、Ni表面，反應(yīng)持續(xù)一定時(shí)間后進(jìn)行冷卻；冷卻過(guò)程中，在基底表面便會(huì)形成數(shù)層或單層石墨烯，即為碳原子的生長(zhǎng)過(guò)程。該方法所需反應(yīng)條件溫和，且生長(zhǎng)后的石墨烯易分離，解決了制備中的難點(diǎn)。

2.2 石墨烯的應(yīng)用

在1.3節(jié)中，文章已提到石墨烯具有硬度高、導(dǎo)電性能好等特點(diǎn)。這些特點(diǎn)使得石墨烯在很多領(lǐng)域都具有很高的應(yīng)用價(jià)值：

（1）作為光電器件。光電器件中一個(gè)重要參數(shù)為載流子遷移率，過(guò)低的遷移率會(huì)導(dǎo)致耗熱量大、散熱困難、機(jī)器響應(yīng)慢等問(wèn)題。而石墨烯具有超高的載流子遷移率和熱導(dǎo)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(rèn)為是硅材料的良好替代物。從理論上來(lái)說(shuō)，以石墨烯芯片為核心的電腦，其運(yùn)行速度會(huì)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(yáng)能電池應(yīng)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(dá)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(jí)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(xué)儲(chǔ)能特性，可用作電動(dòng)車“超強(qiáng)電池”。研究發(fā)現(xiàn)，僅僅充電7秒，其就能續(xù)航35km，遠(yuǎn)超傳統(tǒng)鋰電池充電性能。該新型石墨烯超級(jí)電容器體積輕巧，可實(shí)現(xiàn)規(guī)模生產(chǎn)。該成果也已被發(fā)表在《科學(xué)》雜志上。

（2）作為復(fù)合材料。石墨烯的優(yōu)異性能不僅體現(xiàn)在其本身，當(dāng)它和別的材料結(jié)合制成復(fù)合材料時(shí)，它的特性也會(huì)反映在復(fù)合材料中[7]。例如，三星在普通機(jī)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(lái)手機(jī)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(qiáng)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(guān)特性。石墨烯的單原子層結(jié)構(gòu)和高電子活性使其具有一定的生物相容性，賴斯大學(xué)的化學(xué)家開(kāi)發(fā)出利用一種獨(dú)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(yīng)用領(lǐng)域。而在醫(yī)學(xué)上，Dai等人制備了聚乙二醇功能化的石墨烯，實(shí)現(xiàn)了抗腫瘤藥物在石墨烯上的高效負(fù)載。

（4）作為航天材料。石墨烯還可作為航天材料的傳感器，對(duì)大氣層或航天器本身進(jìn)行檢測(cè)。而在未來(lái)，科學(xué)家設(shè)想通過(guò)使用石墨烯等材料制造“太空梯”，完成地面到空間站的運(yùn)輸工作。

石墨烯技術(shù)的優(yōu)勢(shì)也不僅體現(xiàn)在材料本身的優(yōu)異性，石墨烯的發(fā)展對(duì)于整個(gè)社會(huì)的發(fā)展也具有劃時(shí)代的意義。它是一門結(jié)合了眾多學(xué)科知識(shí)的綜合性材料，因此，對(duì)石墨烯的研究也將帶動(dòng)眾多領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展，其中最受益的當(dāng)屬新興材料學(xué)和電子信息技術(shù)兩大學(xué)科。值得一提的是，近年來(lái)，科學(xué)家們又發(fā)現(xiàn)了碳家族的新成員——石墨炔。目前，對(duì)于石墨炔和石墨烯兩種同素異形體的性能比較的相關(guān)研究也已經(jīng)開(kāi)展。當(dāng)然，石墨烯材料的研究意義也不僅僅是工業(yè)應(yīng)用。在不久的將來(lái)，也許普通市民也能體會(huì)到石墨烯給生活帶來(lái)的便捷，手機(jī)、電視等電器將會(huì)以曲面形式呈現(xiàn)，互動(dòng)感會(huì)更強(qiáng)。裝修材料也更為堅(jiān)固，抗臺(tái)風(fēng)、抗震效果更好。有更多頑疾也將有相應(yīng)的治療方案，這些都是石墨烯在未來(lái)的發(fā)展方向。

2.3 石墨烯目前存在的問(wèn)題

雖然石墨烯的優(yōu)點(diǎn)突出，但不可否認(rèn)的是，石墨烯的發(fā)展并不會(huì)一帆風(fēng)順。從近兩年的情況來(lái)看，石墨烯在“實(shí)驗(yàn)室——工業(yè)量產(chǎn)”的趨勢(shì)中遇到了一定的瓶頸，究其原因，主要有以下幾點(diǎn)：

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(xì)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(méi)有能真正適合大規(guī)模推廣的工業(yè)量產(chǎn)技術(shù)。以化學(xué)氣相沉積法為例，在實(shí)際制造中無(wú)法保證生長(zhǎng)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(huì)成為該產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)弱點(diǎn)，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(fēng)險(xiǎn)，石墨烯的相關(guān)產(chǎn)品對(duì)人體的毒理學(xué)尚不明確?？茖W(xué)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?dāng)排入水中，便會(huì)極易擴(kuò)散，缺乏相關(guān)的環(huán)評(píng)工作對(duì)其影響進(jìn)行評(píng)估。

第三，雖然石墨烯的電學(xué)性能優(yōu)異，但就目前的技術(shù)而言，石墨烯和金屬電極的接觸點(diǎn)電阻很難對(duì)付。傳統(tǒng)的半導(dǎo)體晶體管能控制電源的開(kāi)和關(guān)兩種狀態(tài)，但石墨烯過(guò)于優(yōu)秀的導(dǎo)電性能使得其控制的電源“只能開(kāi)不能關(guān)”，而現(xiàn)有的技術(shù)尚無(wú)法完全解決這一問(wèn)題。因此，目前只能通過(guò)添加其他復(fù)合材料、改變結(jié)構(gòu)等方法來(lái)進(jìn)行彌補(bǔ)。

最后，值得一提的是，政府對(duì)于石墨烯技術(shù)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(jì)、資源等角度，更是從公眾對(duì)石墨烯的認(rèn)知角度而言。普通民眾對(duì)于這種材料相對(duì)陌生，石墨烯的市場(chǎng)需求尚不明朗，無(wú)法實(shí)現(xiàn)市場(chǎng)化。因此，政府應(yīng)該在加大資金扶持，鼓勵(lì)研發(fā)石墨烯改進(jìn)材料的同時(shí)，也應(yīng)該通過(guò)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(duì)于新材料認(rèn)知程度的提高也能助推材料的市場(chǎng)化進(jìn)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(rèn)的是它的出現(xiàn)顛覆了先前的理論，也帶動(dòng)了新材料的研究以及相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展。

未來(lái)，石墨烯材料的發(fā)展關(guān)鍵在于如下幾點(diǎn)：

第一，石墨烯本身材料的優(yōu)化，通過(guò)結(jié)合其他材料復(fù)合使用，或制備多層結(jié)構(gòu)（微調(diào)其本身結(jié)構(gòu)性能）來(lái)解決目前石墨烯應(yīng)用中的難點(diǎn)。

第二，完善相關(guān)領(lǐng)域工作，對(duì)于石墨烯生產(chǎn)中的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估。此外，媒體不應(yīng)夸大宣傳炒作。在設(shè)計(jì)產(chǎn)品時(shí)就應(yīng)充分考慮了這一材料特性的產(chǎn)品，而不是用來(lái)替代現(xiàn)有產(chǎn)品里的其他材料。總而言之，不是產(chǎn)品是為材料服務(wù)，而是材料為產(chǎn)品服務(wù)。

最后，大力發(fā)展石墨烯的市場(chǎng)化、商業(yè)化，實(shí)現(xiàn)大批量商業(yè)化定制。政府應(yīng)該扮演一個(gè)引導(dǎo)者的角色，從資金扶持和公眾推廣兩個(gè)角度發(fā)展石墨烯材料。

4 結(jié)論

石墨烯技術(shù)具有硬度高、導(dǎo)電性能好等特點(diǎn)。它在光電、化學(xué)等領(lǐng)域都具有良好的應(yīng)用價(jià)值。目前石墨烯材料處于承前啟后的發(fā)展關(guān)鍵階段，需在發(fā)揚(yáng)其優(yōu)勢(shì)的同時(shí)，努力解決自身存在的問(wèn)題。而問(wèn)題的解決核心在于技術(shù)的成熟化和市場(chǎng)化。

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