中國粉體網(wǎng)訊 石墨烯是一種二維材料，是目前世界上已知最薄、最堅硬、導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性最好的材料。從結(jié)構(gòu)上來說，它是由碳原子以六元環(huán)組構(gòu)而成的二維平面，是碳的一種新型二維納米結(jié)構(gòu)形式。石墨烯可以被看作是一種石墨薄層，1mm的石墨片層有大約300萬層石墨烯，石墨烯厚度僅有0.335nm。石墨烯還是目前可見的透明度最高的材料，玻璃的透光率為87%，而石墨烯薄膜透光率可達(dá)97.7%。
通常制備石墨烯的方法有物理法和化學(xué)法。物理法有固相機(jī)械剝離法、液相溶劑剝離法等；化學(xué)法有氧化還原法、化學(xué)氣相沉積法、電化學(xué)法、外延生長法等。
固相機(jī)械剝離法
固相機(jī)械剝離法是利用機(jī)械力重復(fù)切一塊石墨，直到得到石墨烯薄層的方法。施加的機(jī)械力可以克服石墨烯結(jié)構(gòu)相鄰層之間的范德華引力，打破范德華力勢壘，分離兩層石墨烯。2004年，安德烈·蓋姆和康斯坦丁·諾沃肖羅夫利用透明膠帶對高度定向熱解的石墨進(jìn)行機(jī)械剝離得到首個單層石墨烯。這種方法可以得到高質(zhì)量的石墨烯層，但是費(fèi)時費(fèi)力、不可控因素較多、難以大規(guī)模制備，也很難制得大面積石墨烯。
中國科學(xué)家趙偉峰等人發(fā)明了一種球磨剝離石墨制備石墨烯的方法，該方法需要在球磨過程中添加合適的溶劑。這種方法可以以低成本從厚石墨薄片中批量生產(chǎn)晶體結(jié)構(gòu)完整的石墨烯薄片，而且能夠用于大規(guī)模生產(chǎn)。
液相溶劑剝離法
液相溶劑剝離法是將石墨片或石墨衍生物分散于溶劑（如N,N-二甲基甲酰胺、鄰二氯苯、N-甲基-吡咯烷酮）中，再用超聲、加熱等方法得到石墨烯的方法。這種方法可以保持石墨烯結(jié)構(gòu)和導(dǎo)電性能不被破壞，但是經(jīng)常會有石墨烯團(tuán)聚的現(xiàn)象。超聲法雖然非常簡單，適合在實(shí)驗(yàn)室制備石墨烯薄片，但超聲法制備的石墨烯的濃度非常低，不利于實(shí)際使用。而且需要注意超聲時間，過度的超聲處理會破壞石墨烯的結(jié)構(gòu)。
氧化還原法
氧化還原法是將天然石墨通過熱處理或在邊界連接含氧基團(tuán)進(jìn)行氧化，再經(jīng)過外力剝離得到單層氧化石墨烯，最后將氧化石墨烯還原得到石墨烯的方法。常用的還原方法有：熱還原法、電化學(xué)還原法、微波還原法、等離子體還原法等。這種方法成本低、產(chǎn)量高，可以高效地制備出大面積獨(dú)立的單層石墨烯，適用于大規(guī)模生產(chǎn)。生產(chǎn)出的石墨烯可以應(yīng)用于光電池和電化學(xué)裝置等領(lǐng)域。
化學(xué)氣相沉積法
化學(xué)氣相沉積法（CVD）是目前工業(yè)上應(yīng)用最廣泛的一種制備石墨烯薄膜材料的方法之一。它是利用高溫可分解的含碳化合物作為碳源，通過高溫退火使石墨烯在基體表面生長，最后從基體表面移除獲得石墨烯薄片。一般碳源可選擇甲烷、甲醇、乙烷、乙烯、乙醇、乙炔、聚合物等，基體多為金屬Ni、Pt、Ru。但經(jīng)研究，碳源還可以為餅干、巧克力、草、塑料、蟑螂等物質(zhì)，而且選擇這些物質(zhì)合成石墨烯更加的低成本、無毒以及綠色。
電化學(xué)法
電化學(xué)法是在水溶液或有機(jī)電解質(zhì)中的石墨工作電極上應(yīng)用陰極或陽極電位的方法。使用陽極電位有助于將負(fù)的陰離子插入到石墨層中，導(dǎo)致石墨逐漸膨脹，然后連續(xù)脫落形成石墨烯薄片。電化學(xué)法還可以將氧化石墨烯上的含氧基團(tuán)還原以制備石墨烯。
外延生長法
外延生長法是指在高溫下加熱碳化硅(SiC)單晶體，脫除SiC表面的Si原子留下C原子重構(gòu)，繼而獲得與原SiC差不多面積的石墨烯薄層。這種方法能夠制備出1-2個碳原子層厚的石墨烯，但是該方法不能獲得大面積厚度均一的石墨烯層。
石墨烯在電池儲能中的應(yīng)用
作為導(dǎo)電劑：石墨烯可以作為導(dǎo)電劑應(yīng)用于鋰離子電池、鈉離子電池等，提高電池的導(dǎo)電性和充放電性能。例如，石墨烯導(dǎo)電劑可以降低電池的內(nèi)阻，提高電池的倍率性能，使電池能夠快速充放電。
構(gòu)建固態(tài)電解質(zhì)：研究石墨烯-金屬鋰固態(tài)電解質(zhì)的鋰離子電池，有望提高鋰離子電池的安全性和能量密度。
石墨烯在催化領(lǐng)域的應(yīng)用
二氧化碳轉(zhuǎn)化：王俊中教授課題組制備的石墨烯鉚釘單原子鐵FeN5催化活性中心，在電化學(xué)二氧化碳還原反應(yīng)中表現(xiàn)出優(yōu)異的催化性能，在低過電位下，法拉第效率達(dá)到97.0%，為二氧化碳的資源化利用提供了科學(xué)依據(jù)。
氧還原反應(yīng)：石墨烯基非貴金屬催化劑在燃料電池陰極氧還原反應(yīng)、金屬-空氣電池催化劑等方面具有潛在的應(yīng)用前景，可部分取代昂貴的Pt/C催化劑。
石墨烯在復(fù)合材料中的應(yīng)用
高分子復(fù)合材料：與高分子結(jié)合制備石墨烯橡膠、石墨烯芳綸等高分子復(fù)合材料，可提高材料的力學(xué)性能、導(dǎo)電性和耐熱性等，在航空航天等領(lǐng)域具有應(yīng)用價值。
碳基復(fù)合材料：如碳纖維/石墨烯/活性炭復(fù)合碳材料，有望使得車身儲能一體化，為未來汽車輕量化和儲能一體化提供了可能性。
石墨烯在光學(xué)器件中的應(yīng)用
石墨烯在常溫常壓下是接近透明的固體，具有透光性。它在紅外區(qū)間具有非常突出的非線性光學(xué)特性，其非線性折射率為10-7cm2/ W。石墨烯具有高靈敏、良好的非線性光學(xué)特性以及抗電磁干擾能力，能夠作為光纖傳感器、光開關(guān)等光學(xué)器件。石墨烯還在在圖像處理、光學(xué)存儲及人員和器件保護(hù)等諸多光學(xué)領(lǐng)域有重要的應(yīng)用。
2024年10月29-31日在上海跨國采購會展中心，由北京粉體技術(shù)協(xié)會與柏德英思展覽(上海)有限公司聯(lián)合主辦2024第三屆低維碳納米材料制備及應(yīng)用技術(shù)交流會。屆時來自安徽大學(xué)的王俊中教授將作題為《石墨烯功能材料的綠色制備與應(yīng)用》的報告。報告主講人將介紹石墨烯功能材料的綠色制備方法和石墨烯在各個領(lǐng)域的應(yīng)用及展望。
專家簡介：
王俊中教授，現(xiàn)任職安徽大學(xué)物質(zhì)科學(xué)與信息技術(shù)研究院，安徽省石墨烯先進(jìn)材料工程實(shí)驗(yàn)室主任，博士生導(dǎo)師，中國微米納米技術(shù)學(xué)會理事；中科院百人，先進(jìn)材料國際協(xié)會會士（IAAM Fellow），入選國家科技專家?guī)臁Ｏ群罅魧W(xué)日本和新加坡8年，在中科院山西煤化所任課題組長和研究員8年，曾獲先進(jìn)材料國際協(xié)會科學(xué)家獎?wù)潞蜕轿魇】茖W(xué)技術(shù)獎。發(fā)明了石墨烯電化學(xué)綠色制備方法，在國內(nèi)外孵化2家石墨烯科技企業(yè)。授權(quán)發(fā)明專利20項(xiàng)，授權(quán)PCT國際發(fā)明專利2項(xiàng)。在JACS、Angewandte等國際知名期刊發(fā)表學(xué)術(shù)論文50篇，多次受邀在國內(nèi)外學(xué)術(shù)和行業(yè)會議做報告。
參考來源：
李韋韋等，石墨烯的制備及其在NMP中分散性能研究
趙冬梅等，石墨烯/碳納米管復(fù)合材料的制備及應(yīng)用進(jìn)展
梁程景等，石墨烯的光電特性及其技術(shù)應(yīng)用展望
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/留白）
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