9月30日上海交通大學(xué)納米電子材料與器件研究組的老師來(lái)到上海盧湘儀離心機(jī)儀器有限公司，在車間實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)場(chǎng)采用GL-21M和GL-12M高速冷凍離心機(jī)二臺(tái)機(jī)器分別進(jìn)行石墨烯分離實(shí)驗(yàn)。

    最后老師在現(xiàn)場(chǎng)告訴我們，通過(guò)離心后取得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果很完美。杯子里清澈的液體就是我們需要的石墨烯。

當(dāng)今已知石墨烯的材料特點(diǎn)及使用領(lǐng)域。

何為石墨烯？

石墨烯是一種由碳原子經(jīng)大π鍵連接的蜂窩狀二維碳片層新材料，屬于C的一種同素異形體。2004年由曼徹斯特大康斯坦丁·諾沃肖洛夫 （Kostya Novoselov）和安德烈·海姆 （Andre Geim）通過(guò)膠帶對(duì)石墨進(jìn)行不斷地機(jī)械剝離而發(fā)現(xiàn)。石墨烯結(jié)構(gòu)中每個(gè)碳原子貢獻(xiàn)一個(gè)未成鍵的電子，通過(guò)SP2雜化與周圍的碳原子構(gòu)成正六邊形，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，具有較為完美的二維晶體結(jié)構(gòu)。是世上已知厚度最薄、強(qiáng)度最高、電阻率最小的新型材料。

    石墨烯材料分為單層石墨烯、雙層石墨烯、少層石墨烯（3-10層）和多層石墨烯（10層以上）。石墨烯一般以層狀形式存在，將石墨烯經(jīng)某種形式變形，形成球狀、管狀和多片層狀，這就演變成我們已知的富勒烯（C60）、碳納米管和石墨。

石墨烯的性能特點(diǎn)

1.最薄的材料（高透光性）：單層石墨烯的厚度只有一個(gè)碳原子，約為頭發(fā)絲直徑的二十萬(wàn)分之一。因此，單層石墨烯幾乎是透明的，肉眼不可見(jiàn)，其透光率高達(dá)97.7%。

2.最堅(jiān)硬的材料（高強(qiáng)度和模量）：其抗拉強(qiáng)度和彈性模量分別可達(dá)125GPa和1.1TPa。將鋼材強(qiáng)度以石墨烯厚度推算，理想的石墨烯材料強(qiáng)度約為鋼的100倍。硬度也較好，比金剛石還要硬。同時(shí)，其還具有較好的柔韌性，可隨意彎曲。在力學(xué)性能方面，石墨烯材料實(shí)現(xiàn)了高強(qiáng)度、高硬度和柔韌性的完美統(tǒng)一。

3.最導(dǎo)電的材料（低電阻率）：石墨烯中每個(gè)碳原子均為SP2雜化，并貢獻(xiàn)一個(gè)P軌道電子形成大π鍵，π電子可以自由移動(dòng)，賦予石墨烯優(yōu)異的導(dǎo)電性。電子在石墨烯中傳輸不易發(fā)生散射，遷移率可達(dá)2×105cm2/（V·s），約為硅中電子遷移率的140倍。

4.最導(dǎo)熱的材料（高熱傳導(dǎo)率）：單層石墨烯的熱傳導(dǎo)率高達(dá)5300W/m·k，而工業(yè)界中廣泛使用的散熱金屬材料銅的熱傳導(dǎo)率只有400Wm·k。但隨著石墨烯層數(shù)的增加，其熱傳導(dǎo)率逐漸下降。

石墨烯的生產(chǎn)方式

      石墨烯的上產(chǎn)方式有許多，可大致分為物理法和化學(xué)法兩大類。物理法一般為機(jī)械剝離法，是石墨烯最初被發(fā)現(xiàn)時(shí)采用的原始方法。但這種方式無(wú)法實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，后面又出現(xiàn)一系列化學(xué)法。化學(xué)法一般包括氣相沉積法（CVD）、外延生長(zhǎng)法和氧化還原法。

1.機(jī)械剝離法：最原始的合成方法，用膠帶黏住石墨片的兩側(cè)面反復(fù)剝離，獲得石墨烯。此方法雖然簡(jiǎn)單，制得的石墨烯卻在幾微米至幾十微米。

2.化學(xué)氣相沉積法：將有機(jī)氣體吸附于具有催化活性的金屬或非金屬表面，加熱有機(jī)氣體脫氫在基底表面形成石墨烯。

3.外延生長(zhǎng)法：在SiC晶體結(jié)構(gòu)上通過(guò)晶格匹配生長(zhǎng)出石墨烯晶體的一種方法。其原理是通過(guò)超低壓高真空、高溫加熱單晶SiC，脫除Si后碳原子重構(gòu)生成石墨烯片層。

4.氧化還原法：將石墨進(jìn)行氧化處理，改變石墨層片的自由電子對(duì)，對(duì)其表面含氧官能團(tuán)進(jìn)行修飾，增強(qiáng)石墨的親水性。然后將氧化石墨在水中剝離，形成均勻穩(wěn)定的氧化石墨烯膠體。最后運(yùn)用化學(xué)還原、熱還原和催化還原等方法將氧化石墨還原成石墨烯。

石墨烯各生產(chǎn)方式優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比：

生產(chǎn)方式	優(yōu)點(diǎn)	缺點(diǎn)
機(jī)械剝離法	獲得的石墨烯品質(zhì)較高，操作簡(jiǎn)單，成本低廉	獲得的石墨烯尺寸不穩(wěn)定，無(wú)法實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)
化學(xué)氣相沉積法	操作相對(duì)簡(jiǎn)單，石墨烯可以大面積生長(zhǎng)，得到的石墨烯較為完整，質(zhì)量較好	高溫工藝，成本高；只能達(dá)到平方厘米的量級(jí)，難以滿足石墨烯的工業(yè)化應(yīng)用
外延生長(zhǎng)法	所獲得的石墨烯面積較大，且質(zhì)量較高	高溫工藝，能耗高；單晶SiC價(jià)格昂貴，成本高，生長(zhǎng)條件苛刻；難以控制石墨烯生長(zhǎng)層數(shù)；石墨烯較難從SiC基板上轉(zhuǎn)移
氧化還原法	簡(jiǎn)單易行的工藝成、高效且成本較低	石墨烯在生產(chǎn)過(guò)程易發(fā)生不可逆轉(zhuǎn)的團(tuán)聚；氧化還原的過(guò)程中，電子結(jié)構(gòu)及晶體的完整性易被破壞，難以生產(chǎn)高品質(zhì)產(chǎn)品；生產(chǎn)廢液造成環(huán)境污染

    近幾年，石墨烯產(chǎn)業(yè)發(fā)展全球矚目，但總體應(yīng)用量較小，市場(chǎng)規(guī)模化需求還有待形成。目前石墨烯的大部分應(yīng)用仍然停留在實(shí)驗(yàn)室階段，雖然在實(shí)驗(yàn)室里的效果很好，但如果進(jìn)行規(guī)模化生產(chǎn)，產(chǎn)品的穩(wěn)定性尚待觀察，石墨烯下游產(chǎn)品應(yīng)用也沒(méi)有得到普及。

汽車領(lǐng)域石墨烯技術(shù)的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用情況

1.汽車輕量化材料

    石墨烯材料的強(qiáng)度是鋼的100倍，具有較高的強(qiáng)度和硬度，但其密度較低，質(zhì)量較輕，是理想的汽車輕量化材料。將石墨烯作為增強(qiáng)相開(kāi)發(fā)的輕質(zhì)復(fù)合材料可用作汽車車身材料。日前，利物浦Briggs汽車公司在其品牌產(chǎn)品BACMONO單座跑車的車身中就使用了石墨烯材料，該跑車也已通過(guò)道路測(cè)試。

2.汽車用高耐磨材料

    石墨烯復(fù)合材料除了作為車身材料，在汽車零部件領(lǐng)域也可以得到應(yīng)用。比如，汽車輪胎。將石墨烯材料加入到汽車輪胎中可使得輪胎更加耐磨、防穿刺，而且能大大提高使用壽命。四川大學(xué)高分子材料工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，已經(jīng)自主研發(fā)出世界首個(gè)石墨烯橡膠輪胎。在國(guó)家總理李克強(qiáng)赴四川考察期間，這只輪胎還受到了總理的“接見(jiàn)”。

3. 高導(dǎo)熱復(fù)合材料

    石墨烯的熱傳導(dǎo)率高達(dá)5300W/m·k，將其與導(dǎo)熱性高聚物復(fù)合可制成強(qiáng)度高、導(dǎo)電導(dǎo)熱性好、質(zhì)量輕的優(yōu)質(zhì)復(fù)合材料。石墨烯的超二維納米結(jié)構(gòu)可以保證熱量在加熱區(qū)域內(nèi)的均勻釋放，可用于汽車加熱座椅材料。

4 汽車防腐涂裝材料

    石墨烯具有較高的化學(xué)穩(wěn)定性，表面疏水，耐酸堿化學(xué)腐蝕。有研究將石墨烯噴涂于鋼表面，浸泡于海水中可以保持一個(gè)月不生銹，而普通高性能涂料僅能維持幾天時(shí)間。因?yàn)槭┑母呤杷砸约蔼?dú)特的納米結(jié)構(gòu)，可以將其運(yùn)用于車用涂料領(lǐng)域，提高防腐效果。

5. 車用導(dǎo)電功能性材料

    在汽車燃油供給系統(tǒng)中，以快速紊流方式流動(dòng)的燃油能產(chǎn)生靜電，用于燃油供給系統(tǒng)的部件（包括油箱，油管接頭，過(guò)濾器等）需要其導(dǎo)電率能阻制靜電堆積，消除火花、爆炸等危險(xiǎn)。目前，以碳納米管作為添加劑的導(dǎo)電塑料已成功應(yīng)用于汽車燃油供給系統(tǒng)。石墨烯具備與碳納米管相媲美的導(dǎo)電性能，且制備成本更低，完全可以用于導(dǎo)電功能塑料領(lǐng)域。基于石墨烯的導(dǎo)電功能塑料還可以運(yùn)用于汽車擋泥板、門把手、鏡盒等方面，方便車身的靜電噴涂，省去了相對(duì)于非導(dǎo)電性塑料在靜電噴涂前需要進(jìn)行的表面導(dǎo)電化處理。

6. 電動(dòng)汽車儲(chǔ)能材料

    動(dòng)力電池是新能源汽車的心臟。盡管目前國(guó)家大力推廣電動(dòng)汽車，但是續(xù)航里程短、充電時(shí)間長(zhǎng)等短板，依舊阻礙著電動(dòng)汽車的市場(chǎng)化。目前，作為電源的儲(chǔ)能裝置主要有鋰離子動(dòng)力電池、超級(jí)電容器和燃料電池，三者均要求其電極材料具備大的比表面積、高的導(dǎo)電性和良好的電化學(xué)穩(wěn)定性，這為石墨烯提供了廣泛的運(yùn)用空間。

（1）鋰電池電極材料

石墨烯在鋰電池上主要有三種應(yīng)用：

· 在正負(fù)極材料中作為導(dǎo)電添加劑；

· 在銅箔或鋁箔中作為功能涂層；

· 在負(fù)極材料中作為電極材料。

    在應(yīng)用如Si、Sn等材料作為電池負(fù)極時(shí)，有一個(gè)很大的障礙就是充放電過(guò)程中體積膨脹率很高（可高達(dá)400%），從而導(dǎo)致電極粉碎或者電池容量快速衰減。用石墨烯包覆這些納米材料可以良好地解決體積膨脹問(wèn)題。下圖展示了石墨烯作為鋰電極材料的幾種應(yīng)用：

（2）超級(jí)電容器

    超級(jí)電容器是一種新型儲(chǔ)能裝置，與充電電池相比，可進(jìn)行不限流充電，因而充放電速率非常快，可以在幾秒內(nèi)完成充放電過(guò)程，同時(shí)具有功率高，使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)。石墨烯分散后具有非常大的儲(chǔ)能活性，這是因?yàn)槭┚哂懈哌_(dá)2 630 m2 /g 的理論比表面積，因此石墨烯復(fù)合材料可用于超級(jí)電容器領(lǐng)域。

（3）燃料電池

    在低溫燃料電池使用中，無(wú)論是陽(yáng)極的氧化反應(yīng)還是陰極的還原反應(yīng)，都需要Pt、Pd等貴金屬作為催化劑，大大增加了燃料電池的成本。將貴金屬搭載在石墨烯上，一方面，石墨烯中的大π鍵與金屬間的相互作用可有效阻止金屬粒子的遷移、聚集，提高催化劑的穩(wěn)定性。另一方面，石墨烯良好的導(dǎo)電性也可以降低電池內(nèi)阻，提高導(dǎo)電性能。

    石墨烯在許多方面都具有其他材料無(wú)法比擬的優(yōu)異性能，從理論上說(shuō)，石墨烯的這些產(chǎn)業(yè)應(yīng)用都可以合理存在。但作為一種晶體結(jié)構(gòu)特殊的碳物質(zhì)，石墨烯表面疏水且缺少活性基團(tuán)，沒(méi)有可利用的活性化學(xué)鍵，與其他物質(zhì)的相容性差。這些都給石墨烯在材料領(lǐng)域的應(yīng)用造成阻礙。如何解決這些難題，石墨烯的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用研究任重而道遠(yuǎn)。