高純石墨烯／氧化石墨烯的制備及應用前景研究

畢津源

（江西財經大學，南昌 330013）

石墨烯具有優良的熱學、力學、電學以及光化學性能，比表面積巨大，因而它被譽為“材料之王”。目前，石墨烯已經成為國內外材料研究領域的重點研究對象。然而，石墨烯的制備及應用技術仍存在一定的欠缺，石墨烯發展的機遇與挑戰并存。

1 石墨烯國內研究現狀

與美國、德國等世界發達國家相比，我國石墨烯制備研究起步較晚。近年來，隨著石墨烯制備技術的不斷發展以及應用領域的不斷拓寬，國內研究者對石墨烯的研究進入活躍狀態，相關學術研究及專利不斷涌現。但是，我國國內相關論文研究的質量及原創性都有待提高，專利總量不足、分布不均衡。

1.1 石墨烯主要制備方法

目前，物理方法以及化學方法是制備石墨烯的兩大類主要方法。這兩類方法雖然應用廣泛，但是在產量、穩定性及品質等方面均存在一些缺陷[1]。具體情況如表1所示。

表1 石墨烯的制備方法及比較

1.2 石墨烯研究專利情況

隨著石墨烯市場的不斷擴大，我國科研工作者在石墨烯應用的各個領域不斷取得創新和突破，我國石墨烯研究技術不斷朝著與國際同步方向發展。然而，人們必須清醒地認識到國內石墨烯市場尚不成熟、石墨烯產業鏈尚不完整、核心技術有待加強。從我國石墨烯在各個領域的專利情況可以看出，石墨烯研究領域不均衡、各領域專利總量不多、自主知識產權較為不足。石墨烯研究在各領域專利情況如圖1所示。現階段，打通石墨烯產業鏈、提高石墨烯在各領域的自主知識產權尤為必要。

圖1 石墨烯研究在各領域專利情況

2 石墨烯的應用前景

由于具有良好的電化學性能、光化學性能、機械性能等特性，石墨烯在電子器械、能源應用、生態環保以及制備高性能復合物等領域廣泛應用。隨著制備方法和應用技術的不斷發展，石墨烯的應用領域正在不斷擴大，其主要應用領域如下。

2.1 在電子領域的應用

2.1.1 散熱材料

石墨烯作為目前具有最高導熱系數的物質，擁有5 300 W/（m·K）的理論導熱率，其理論導熱率遠遠大于石墨。由于石墨烯具有快速散熱的特性，石墨烯常作為智能手機、LED大功率節能燈、液晶電視以及平板電腦的理想散熱材料。同時，石墨烯的外形幾乎接近透明，符合現代設備制作對于外形的要求。在傳統工藝技術中，價格低廉、導熱性能高的石墨常作為散熱材料。隨著大功率芯片、大容量電池在手機和電腦研發中成為主流趨勢，傳統的石墨導熱材料已經不能滿足手機、電腦等設備的散熱需求，而具有更強導熱性能的石墨烯成為最為理想的散熱薄膜材料。

2.1.2 柔性觸控面

由于導電性能強、碳原子間柔韌連接，石墨烯常用作柔性材料，在OLED面板、柔性LCD以及柔性電容器觸控膜中應用。目前，氧化銦錫（ITO）是最為常見的柔性觸控屏材料，并構成了柔性觸控屏40%左右的成本。相較于石墨，石墨烯的產品性能在透明度、導電性以及柔韌性等方面更為優良。同時，在材料制作方面，ITO導電膜以稀有金屬銦作為原材料，面臨資源供給不足的問題。可見，隨著石墨烯制作工藝的成熟和制作成本的下降，石墨烯在柔性觸控屏領域替代石墨烯成為可能。

2.1.3 應力傳感器

石墨烯具有納米級大小尺寸以及準連續的內部結構，使得其可以在柔性襯底上自由轉移，從而使得石墨烯成為制作高透明度、高柔韌性的應力傳感器的理想材料。目前，隨著可穿戴市場的發展，石墨烯正好滿足了可穿戴設備對于高靈敏度、高柔韌性材料的需求，因此石墨烯也成為移動追蹤器、智能手表、智能通信設備等可穿戴設備的原材料。同時，石墨烯擁有超過500的靈敏因子，在人造電子皮膚中廣泛應用。

2.1.4 芯片材料

目前，國際頂尖的科技公司已經掌握了使用石墨烯制作半導體材料的關鍵技術。由于制備石墨烯制作半導體屬于高級應用，國際上只有少數科技公司掌握了該項技術，其中美國IBM、韓國SAMSUNG的技術最為領先。石墨烯在電子領域的具體應用如表2所示。以石墨烯為原材料制作晶體管，可以使集成電路具備傳輸效率高、穩定性強、耗能低的優良性能。隨著石墨烯制備芯片技術的不斷普及，石墨烯有望成為半導體原料之王[2]。

2.2 石墨烯在能源領域的應用

目前,石墨烯在能源領域的具體應用情況如表3所示。

2.2.1 超級電容

具有極高導電率以及巨大比表面積的石墨烯是制備超級電容的最佳材料。隨著科技的發展，以石墨烯為原材料，制作大功率、大容量、長壽命、安全環保的新型超級電容技術不斷推廣，石墨烯也因此廣為關注。

2.2.2 電池材料

隨著全球能源危機不斷加劇，使用清潔能源，走可持續發展道路成為我國發展的必然選擇，電力作為一種可再生清潔能源被廣泛推崇。隨著電力的廣泛應用，人們迫切需要具有較高續航能力、較大容量、較高散熱能力的高性能電池。石墨烯可作為電池催化劑，相比于傳統的催化劑鉑，具有活性強、價格低的優勢?？梢?，石墨烯作為較為理想的電池催化劑，具有極高的應用前景。

2.3 石墨烯在復合材料中的應用

2.3.1 電纜保護材料

目前，雖然銅是我國電纜保護材料的主要材料，但是隨著石墨烯復合物制備技術的不斷推廣，石墨烯有望替代重金屬銅而成為制備電纜導體的首選材料。相比于重金屬銅，石墨烯具有導電性能較強、電阻率極小、價格較低的優勢。同時，在電磁屏防護方面，石墨烯相比于傳統的金屬絲編制屏蔽層、鍍錫屏蔽層，不僅可以提高屏蔽外界干擾的效果，還可以防止屏蔽間隙的發生，提高電纜保護材料的絕緣性能[3]。

2.3.2 功能涂料

由于具備優良的熱學、力學以及電學等性能，石墨烯復合物已經成為研發制備新一代功能涂料的重點關注對象。石墨烯具有眾多的含氧官能團，能夠與有機物樹脂、高分子化合物結合，是制備功能化材料的首選。同時，石墨烯的優良性能使其在制備具有防腐、防水以及除靜電的性能的功能涂料領域廣泛應用。

表2 石墨烯在電子領域的應用

表3 石墨烯在復合材料中的應用

2.3.3 環保吸附劑

由于具有較強的吸附能力且成本較低，石墨烯和氧化石墨烯常作為環保吸附劑而在污水治理、空氣凈化等領域廣泛應用。隨著經濟的發展，環境污染問題日益得到人們的關注，污染治理刻不容緩。由于具有極大的比表面積，石墨烯的吸附能力強，特別是修飾石墨烯的官能團后，石墨烯能夠有效吸附陽性重金屬粒子。隨著石墨烯官能團修飾技術的發展，石墨烯將在污染防治方面發揮巨大作用。

3 石墨烯/氧化石墨烯制備新技術研究

針對石墨烯的國內研究現狀及廣闊的研究前景，筆者通過運用所學知識，對石墨烯制備技術進行研究，研發出酸素石墨烯原位還原法，其主要技術路線如下：選取酸素石墨烯為制備原材料，在真空、氮氣或惰性氣體環境以及200～1 200℃的高溫環境下，對原材料進行高溫及原位還原處理；依次對半成品進行球磨法、攪拌法以及行星磨法處理；為了防止在第二步驟中已被剝離的石墨稀發生二次重合或聚集，必須加入分散劑以及非化學鍵修飾劑，從而保證石墨烯的產量與質量；使用物理離心技術將石墨烯分離，得到高純度石墨烯/氧化石墨烯。

本方法以酸性石墨作為原料，具有原料價格低廉、工藝流程簡單、技術綠色環保、產量高等優點。同時，采用本方法制備出的石墨稀/氧化石墨烯擁有較高的純度且品質較高。本方法主要有兩項關鍵技術創新：一是針對石墨烯的剝離效率問題，本方法創新出特有的非化學鍵修飾技術，可以有效避免石墨烯二次疊片；二是針對石墨烯的純度問題，本方法采用了獨創的機械提純分離技術，相對于流通在市場上的超細石墨粉混合物等同類石墨烯產品，其產品擁有較高的純度及品質。

1 陳集思，武 斌，劉云圻.介電層上石墨烯的制備[J].化學學報，2014，72（3）：359-366.

2 朱振峰，程 莎，董曉楠.石墨烯的制備和應用[J].功能材料，2013，44（21）：3060-3064.

3 韓同偉，賀鵬飛，駱 英，等.石墨烯力學性能研究進展[J].力學進展，2016，41（3）：279-293.