石墨烯需在制備與應用領域持續突破

　　◎本報記者 崔 爽

　　在日前舉辦的第二十五屆中國國際高新技術成果交易會上，全球首個產業化應用的二維石墨烯材料亮相。石墨烯被認為是“會改變世界的材料”。它是目前世界上已知最薄、最堅硬、導電性和導熱性最好的材料。

　　對于石墨烯材料來說，2010年是一個重要的年份。這一年，諾貝爾物理學獎授予了物理學家安德烈?海姆和康斯坦丁?諾沃肖洛夫，表彰他們“有關二維材料石墨烯的開創性實驗”，石墨烯材料也因此進入公眾視野。這種既透明輕薄同時又具有超強韌度的二維材料，已經成為當下材料科學領域的“明星”。

　　用膠帶“撕出”的諾貝爾獎

　　石墨烯是一種二維材料，從結構上來說，它是由碳原子以六元環組構而成的二維平面。它是碳的一種新型二維納米結構形式，衍生于石墨。在顯微鏡下觀察石墨截面可以發現，石墨片層是由石墨烯緊密堆疊構成的。因此，石墨烯可以被看作是一種石墨薄層，1毫米的石墨片層有大約300萬層石墨烯。如果把石墨比作一本書，石墨烯就是其中的一頁，只不過這一頁的厚度僅有0.335納米，是普通紙張的三十萬分之一。石墨烯還是目前可見的透明度最高的材料。玻璃通常作為透明材料使用。最透明的玻璃透光率為87%，而石墨烯薄膜透光率達到97.7%，肉眼看去幾乎是透明的。

　　早在19世紀中葉，科學家就發現了石墨特殊的層狀結構。鉛筆在紙上輕輕劃過，留下的印記就是數層石墨烯。然而，科學界長期認為由于石墨烯自身的熱力學不穩定性，其不可能在常溫常壓的條件下穩定存在。也就是說，石墨烯只存在于理論中，不是能實際存在的物質材料。

　　這種成見統治了材料科學和凝聚態物理學領域100多年，直至21世紀初被海姆和康斯坦丁戲劇性的發現所打破。據北京創新愛尚家科技股份有限公司穿戴項目負責人王玉倩介紹，兩位英國科學家使用膠帶將石墨烯從石墨中剝離出來，然后用顯微鏡觀察到了這種單層的碳原子結構，證實了石墨烯的存在。他們用膠帶剝離法成功分離出石墨烯的做法，是石墨烯研究的重要突破。

　　石墨烯的發現開啟了二維材料世界的大門。時至今日，已經有700多種穩定存在的二維材料得到實驗或理論認證。

　　提高制備技術以滿足多元需求

　　大批量、低成本生產高質量的石墨烯材料，是其實現產業化應用的前提。但顯然“用膠帶撕下來”的剝離法并不適用于石墨烯材料規模化制備與生產。

　　目前，石墨烯的制備主要包括“自上而下”法和“自下而上”法兩種工藝。所謂的“自上而下”法，指的是以石墨為起點，從石墨中層層剝離，得到二維的微觀石墨烯，是一個“由多到一”的過程；而“自下而上”法是指從含碳化合物開始，利用高能量破壞掉化合物的化學鍵，使其中一個個的碳原子從中脫離出來后規則地聚集，生長成為石墨烯，是一個“由零到一”的過程。前者主要包括液相剝離法、氧化還原法、機械剝離法，后者則主要包括化學氣相沉積法、碳化硅晶體外延生長法。

　　中國科學院院士、北京大學教授劉忠范介紹，石墨烯材料有3種不同的形態：粉體、薄膜、纖維。材料形態不同，用途也不一樣。2010年至今，石墨烯材料的應用都是以粉體材料為主，用作電熱產品、導電添加劑、防腐涂料等。未來10年值得期待的是一維石墨烯纖維材料，它有望用作散熱膜、功能纖維、結構增強纖維，甚至超級導線等。

　　王玉倩介紹，石墨烯具有優異的導電性，可以用于制造加熱墊、加熱片等加熱元件，可以應用于多個領域，包括智能服裝穿戴、清潔建筑供暖、汽車及軌道交通等行業。在2022年北京冬奧會上，從發熱座椅到工作人員、運動員的保暖服裝，都應用了石墨烯發熱材料和石墨烯柔性織物。這些材料和織物表現出優異性能。

　　劉忠范表示，再過10年左右，石墨烯薄膜材料或將成為主流應用材料，用其制備的水氧阻隔膜、分離膜、緩沖層、透明電極、觸控屏、射頻器件等，將逐漸從實驗室走向產業化。因此從材料的形態上講，從粉體材料到纖維材料，再到薄膜和晶圓材料，或許可以被視為石墨烯材料可預見的發展歷程。

　　同時，石墨烯材料產業還面臨著一系列技術挑戰。王玉倩舉例道，目前石墨烯大規模生產成本仍然較高，需要尋找更加經濟高效的方法；石墨烯的制備需要更好地控制其結構和性能，以滿足不同應用的需求；石墨烯的生產和處理過程中可能會產生環境污染和廢棄物處理問題，需要研究環保的生產方法。盡管石墨烯具有許多優異的特性，但如何在實際應用中利用好這些特性還需要更多的研究和探索。

　　為產業尋求“殺手級應用”

　　我國是世界第二大石墨資源國，已探明的石墨資源儲量為2.6億噸，石墨基礎儲量約占全世界總儲量的33%，具有良好的產業發展基礎。

　　2015年，工業和信息化部、國家發展改革委、科技部等三部委聯合發布的《關于加快石墨烯產業創新發展的若干意見》，成為我國石墨烯領域首個國家層面的綱領性文件。近年來，一系列石墨烯材料產業的相關扶持政策陸續出爐。今年8月，工業和信息化部、國務院國資委印發《前沿材料產業化重點發展指導目錄（第一批）》，石墨烯名列其中。

　　無論是石墨烯材料的基礎研究還是產業化，中國都已走在世界前列。經過近10年的發展，國內石墨烯材料市場中，部分下游應用領域取得突破，如石墨烯導電劑已在新能源汽車市場得到廣泛應用。

　　隨著國家“煤改電”等清潔能源政策的推動，全國已有幾十個城市出臺了扶持政策，使石墨烯電加熱行業進入高速發展期。此外，石墨烯防腐涂料、石墨烯改性紡織品、石墨烯改性合金材料等應用也在不斷發展成熟，中國成為石墨烯材料市場下游應用開發力度最大的國家。

　　同時值得注意的是，歐美石墨烯材料市場的下游應用多為光電器件、傳感器等高精密儀器。這些儀器對石墨烯材料的要求高，因此常采用“自下而上”法制備石墨烯材料。而我國市場上的石墨烯材料大部分采用“自上而下”法，通過氧化還原反應制備，雖然成本低、產量大，但由于質量尚有待提高，因此難以在集成電路等高精密度產品中應用。

　　“我們起個大早，趕了個晚集。”劉忠范說，這也是他一直呼吁要尋找石墨烯“殺手級應用”的原因。在他看來，“殺手級應用”是建立在日趨完美的高性能石墨烯材料基礎上的。“我們需要原創性的基礎研究，也需要精益求精的研發和持續不斷的投入。”劉忠范認為。