淺談石墨烯的材料制備方法與意義

郭婧怡 ??

摘 要： 石墨烯具備良好的光、電等特性，在原始和新興產業有著良好的發展前景，被看作是基礎材料的中心。但是，石墨烯產業化的關鍵問題是怎樣高成效、高利潤地生產出優質的石墨烯。石墨烯是當今戰略材料發展的重中之重，擁有平穩、高效等良好的物理化學本能，能夠明顯加強復合材料的特征，最終達到復合材料在航天、軍用、電池電極材料、半導體器件、透明顯示屏、傳感器、電容器、晶體管等眾多范疇和戰略產業有效運用的目標。研究者們正致力于對石墨烯制備工藝的不斷優化和改進，降低石墨烯制備成本使其優異的材料性能得到更廣泛的應用，并逐步走向產業化。

【中圖分類號】 TQ127 【文獻標識碼】 A 【文章編號】 2236-1879（2018）11-0030-01

引言

現如今，世界還未完全達到石墨烯最優的生產規模與運用的目標。這在一定程度上來說，石墨烯是在其高質量的前提下才可以產生，而且在層數上升和內部劣勢明顯的情況下，石墨烯的眾多特征都會有所減少。所以，當今商業化的石墨烯與大型規模領域的需求不匹配，這損害了石墨烯高特質的規模運用前景。與此同時，居高不下的酸性廢水將會給社會環境帶來非常嚴重的危害，倘若依靠原有的廢水處理法進行過濾，那么肯定會加大人、財、物力的投入，這會導致石墨烯的市場價格持續偏高，也會進一步損害石墨烯的規模運用和發展前景。因此，我們必須生產出健康、無污染的石墨烯工藝，最終達到排放量、耗能量低，高產量的目標，以實現石墨烯高利潤的目的。

1石墨烯的本質

單層石墨烯的厚度僅為0.35 nm，是當今世界輕薄度最好的材料；它在室溫下的電子遷移率為2×105 cm2·V-1·s-1并且受溫度變化影響小；熱導率高達5000 W·m-1·K-1，熱傳導性能好，抗拉強度超過130GPa，韌性較高[2]。

2石墨烯的制備方法

2.1 微機械剝離法。

Geim 等利用氧等離子束先在高定向熱解石墨表面刻蝕出寬20μm～2 mm、深5μm的微槽，經過焙燒后從石墨上脫落出石墨薄片，將其用光刻膠轉移到玻璃襯底，并用透鏡膠帶反復撕揭，在此過程中產生單層石墨烯，超聲振蕩后將單晶硅片放入丙酮溶劑中，單層石墨烯在范德華作用力下吸附在硅片表面，此法簡單能生產出高質量石墨烯，但產率低無法實現工業化生成石墨烯[3]。

2.2 外延生長法。

用俄歇電子能譜確定樣品表面的氧化物被完全移除后，在超低真空（1.333×10-8 Pa）、高溫（1200～1450℃）條件下，恒溫1～20 min，熱分解單晶SiC去除其中的Si，剩下的C原子通過自組重構，進而得到面積與原有SiC薄片相當的石墨烯薄層。此法需要高溫，高真空，條件苛刻，難于投入實際工業生產[3]。

2.3 石墨插層法。

在天然鱗片石墨的基礎上，依附堿金屬變成插層劑，經過插層劑與石墨相互作用以產生石墨層。

2.4 溶液剝離法。

通過直接把石墨溶解到有機溶劑內，成為低濃度散液物質，經過超聲降低石墨層的范德華力，或利用加熱或氣流作用來生產出石墨烯[4]。其劣勢在于產出率不高，與大型生產不匹配。

2.5 化學氣相沉積法。

化學氣相沉積（CVD）經過高溫會產生氣態化學物質，使其固態物在溫度下降之后依附與金屬層面，這是生產半導體薄膜的中心環節[7]。同時，經過高溫將氣體散落成碳和氫原子，使其固態物在溫度下降之后依附表面產生熱解碳，通過控制反應條件，熱解碳成核、重排成長成石墨烯[2]。此法被業界稱作是最有潛力生產出高效、高質的石墨烯，是最優的產業化形式。可以肯定地說，石墨烯分離層經過化學腐蝕減少的酸物質，會造成社會環境的破壞，而且還會進一步加大生產成本。所以，怎樣有效地獲得完好無損的石墨烯是此法的難點所在。

3 石墨烯規模化生產的材料化學工程特征

顯而易見，石墨烯的未來走向會是傾盡全力地實現石墨烯層數和尺寸的分級，這樣的話，石墨烯才會被眾多規模化產業所應用，能夠有效實現石墨烯高產量、高利潤，最終達到石墨烯產品在不同范疇內的使用的目標，從而進一步強大我國的石墨烯在全球各地的崇高地位。但是，從古至今新材料的實驗生產、潛在發展的新聞絡繹不絕，而能夠完全達到新材料規模化運用不同領域的產品少之又少，其主要問題就是沒有構建新材料基礎，研究和生產技術沒有搭建良好的基礎。但是，新材料從本質上來講，其組成部分繁雜，它們的生產和運用往往會涵蓋化學反應的復雜多樣性特點，所以怎樣達到由原始化學產品的高轉化和選擇的目的，逐步轉變為高層次以新材料構建為中心，是新材料產品工程需要解決的難點。與此同時，石墨烯產業化問題也是如此，其解決措施就是保證材料化學工程的發展，達到石墨烯新材料轉變為規模生產的最終目標。

石墨烯產業過程中出現的如何運用和生產出高質量的石墨烯產品是其中心環節，需要保證材料化學工程的有效進行，將其參與到石墨烯的生產中。經過完善工藝技能和高效率低污染原則來減少對社會環境的危害，這樣的話能夠滿足石墨烯制備與資源、能源、環境三者之間的持續平衡穩定。與此同時，在可控背景下對石墨烯的特質和組成能夠有效把控，這就為石墨烯本質上的高質量、高利潤生產給予有效地基礎支撐和技術支撐。

4 結束語

綜上所述，石墨烯的特質能夠在不同范疇進行大規模應用是其不斷發展和創新的目標。但是，石墨烯制備在廢水處理成本上升的情況下，會將石墨烯的市場價格持續偏高，這會嚴重阻礙石墨烯在大規模產業化應用的目的。隨著市場需要高質量、低成本的石墨烯材料，所以我們必須依附于材料化學工程，當前我們創造出了膜分離技術的制備技術，這給我們帶來了非常可觀的經濟、社會效益。我們一定要相信材料化學工程的發展必然是石墨烯達到高質量、高利潤、低污染的石墨烯生產的有利解決辦法。

參考文獻

[1] 段淼，李四中，陳國華.機械法制備石墨烯的研究進展[J].材料工程，2013（12）：85-91.

[2] 胡忠良，蔣海云，趙學輝，李娜，丁燕鴻.石墨烯制備的方法、特性及基本原理[J].材料導報，2014，28（11）：38-42.

[3] 姜麗麗，魯雄.石墨烯制備方法及研究進展[J].功能材料，2012，43（23）：3185-3189+3193.

[4] 何大方，吳健，劉戰劍，沈麗明，汪懷遠，暴寧鐘.面向應用的石墨烯制備研究進展[J].化工學報，2015，66（08）：2888-2894.

[5] 袁小亞.石墨烯的制備研究進展. （重慶交通大學 理學院， 重慶 400074）.