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     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到上海盧湘儀離心機儀器有限公司，在車間實驗室現(xiàn)場采用GL-21M和GL-12M高速冷凍離心機二臺機器分別進(jìn)行石墨烯分離實驗。

    最后老師在現(xiàn)場告訴我們，通過離心后取得的實驗結(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）通過膠帶對石墨進(jìn)行不斷地機械剝離而發(fā)現(xiàn)。石墨烯結(jié)構(gòu)中每個碳原子貢獻(xiàn)一個未成鍵的電子，通過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

1.最薄的材料（高透光性）：單層石墨烯的厚度只有一個碳原子，約為頭發(fā)絲直徑的二十萬分之一。因此，單層石墨烯幾乎是透明的，肉眼不可見，其透光率高達(dá)97.7%。

2.最堅硬的材料（高強度和模量）：其抗拉強度和彈性模量分別可達(dá)125GPa和1.1TPa。將鋼材強度以石墨烯厚度推算，理想的石墨烯材料強度約為鋼的100倍。硬度也較好，比金剛石還要硬。同時，其還具有較好的柔韌性，可隨意彎曲。在力學(xué)性能方面，石墨烯材料實現(xiàn)了高強度、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）：石墨烯中每個碳原子均為SP2雜化，并貢獻(xiàn)一個P軌道電子形成大π鍵，π電子可以自由移動，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。物理法一般為機械剝離法，是石墨烯最初被發(fā)現(xiàn)時采用的原始方法。但這種方式無法實現(xiàn)量產(chǎn)，后面又出現(xiàn)一系列化學(xué)法?；瘜W(xué)法一般包括氣相沉積法（CVD）、外延生長法和氧化還原法。

1.機械剝離法：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：將有機氣體吸附于具有催化活性的金屬或非金屬表面，加熱有機氣體脫氫在基底表面形成石墨烯。

3.外延生長法：在SiC晶體結(jié)構(gòu)上通過晶格匹配生長出石墨烯晶體的一種方法。其原理是通過超低壓高真空、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，對其表面含氧官能團(tuán)進(jìn)行修飾，增強石墨的親水性。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)缺點對比：

生產(chǎn)方式	優(yōu)點	缺點
機械剝離法	獲得的石墨烯品質(zhì)較高，操作簡單，成本低廉	獲得的石墨烯尺寸不穩(wěn)定，無法實現(xiàn)量產(chǎn)
化學(xué)氣相沉積法	操作相對簡單，石墨烯可以大面積生長，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，難以滿足石墨烯的工業(yè)化應(yīng)用
外延生長法	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價格昂貴，成本高，生長條件苛刻；難以控制石墨烯生長層數(shù)；石墨烯較難從SiC基板上轉(zhuǎn)移
氧化還原法	簡單易行的工藝成、高效且成本較低	石墨烯在生產(chǎn)過程易發(fā)生不可逆轉(zhuǎn)的團(tuán)聚；氧化還原的過程中，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，市場規(guī)?；枨筮€有待形成。目前石墨烯的大部分應(yīng)用仍然停留在實驗室階段，雖然在實驗室里的效果很好，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)用也沒有得到普及。

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

1.汽車輕量化材料

    石墨烯材料的強度是鋼的100倍，具有較高的強度和硬度，但其密度較低，質(zhì)量較輕，是理想的汽車輕量化材料。將石墨烯作為增強相開發(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，該跑車也已通過道路測試。

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)高分子材料工程國家重點實驗室，已經(jīng)自主研發(fā)出世界首個石墨烯橡膠輪胎。在國家總理李克強赴四川考察期間，這只輪胎還受到了總理的“接見”。

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月不生銹，而普通高性能涂料僅能維持幾天時間。因為石墨烯的高疏水性以及獨特的納米結(jié)構(gòu)，可以將其運用于車用涂料領(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。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?；谑┑膶?dǎo)電功能塑料還可以運用于汽車擋泥板、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. 電動汽車儲能材料

    動力電池是新能源汽車的心臟。盡管目前國家大力推廣電動汽車，但是續(xù)航里程短、充電時間長等短板，依舊阻礙著電動汽車的市場化。目前，作為電源的儲能裝置主要有鋰離子動力電池、超級電容器和燃料電池，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，有一個很大的障礙就是充放電過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）超級電容器

    超級電容器是一種新型儲能裝置，與充電電池相比，可進(jìn)行不限流充電，因而充放電速率非?？?，可以在幾秒內(nèi)完成充放電過程，同時具有功率高，使用壽命長等特點。石墨烯分散后具有非常大的儲能活性，這是因為石墨烯具有高達(dá)2 630 m2 /g 的理論比表面積，因此石墨烯復(fù)合材料可用于超級電容器領(lǐng)域。

（3）燃料電池

    在低溫燃料電池使用中，無論是陽極的氧化反應(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法比擬的優(yōu)異性能，從理論上說，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)。