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(jiān)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(gè)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(shí)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(huì)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(shí)間，過度的超聲處理會(huì)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(gè)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(chǔ)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(jià)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(chǔ)能一體化，為未來汽車輕量化和儲(chǔ)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(chǔ)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(huì)展中心，由北京粉體技術(shù)協(xié)會(huì)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(huì)。屆時(shí)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(bào)告。報(bào)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(gè)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(huì)理事；中科院百人，先進(jìn)材料國際協(xié)會(huì)會(huì)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(huì)科學(xué)家獎(jiǎng)?wù)潞蜕轿魇】茖W(xué)技術(shù)獎(jiǎng)。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(huì)議做報(bào)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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