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、導電性和導熱性最好的材料。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97.7%。
通常制備石墨烯的方法有物理法和化學法。物理法有固相機械剝離法、液相溶劑剝離法等；化學法有氧化還原法、化學氣相沉積法、電化學法、外延生長法等。
固相機械剝離法
固相機械剝離法是利用機械力重復切一塊石墨，直到得到石墨烯薄層的方法。施加的機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行機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，但是費時費力、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)和導電性能不被破壞，但是經(jīng)常會有石墨烯團聚的現(xiàn)象。超聲法雖然非常簡單，適合在實驗室制備石墨烯薄片，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進行氧化，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)出的石墨烯可以應用于光電池和電化學裝置等領(lǐng)域。
化學氣相沉積法
化學氣相沉積法（CVD）是目前工業(yè)上應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。
電化學法
電化學法是在水溶液或有機電解質(zhì)中的石墨工作電極上應用陰極或陽極電位的方法。使用陽極電位有助于將負的陰離子插入到石墨層中，導致石墨逐漸膨脹，然后連續(xù)脫落形成石墨烯薄片。電化學法還可以將氧化石墨烯上的含氧基團還原以制備石墨烯。
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用
作為導電劑：石墨烯可以作為導電劑應用于鋰離子電池、鈉離子電池等，提高電池的導電性和充放電性能。例如，石墨烯導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，在電化學二氧化碳還原反應中表現(xiàn)出優(yōu)異的催化性能，在低過電位下，法拉第效率達到97.0%，為二氧化碳的資源化利用提供了科學依據(jù)。
氧還原反應：石墨烯基非貴金屬催化劑在燃料電池陰極氧還原反應、金屬-空氣電池催化劑等方面具有潛在的應用前景，可部分取代昂貴的Pt/C催化劑。
石墨烯在復合材料中的應用
高分子復合材料：與高分子結(jié)合制備石墨烯橡膠、石墨烯芳綸等高分子復合材料，可提高材料的力學性能、導電性和耐熱性等，在航空航天等領(lǐng)域具有應用價值。
碳基復合材料：如碳纖維/石墨烯/活性炭復合碳材料，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。
石墨烯在光學器件中的應用
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)等光學器件。石墨烯還在在圖像處理、光學存儲及人員和器件保護等諸多光學領(lǐng)域有重要的應用。
2024年10月29-31日在上�？鐕少彆怪行�，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用技術(shù)交流會。屆時來自安徽大學的王俊中教授將作題為《石墨烯功能材料的綠色制備與應用》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)域的應用及展望。
專家簡介：
王俊中教授，現(xiàn)任職安徽大學物質(zhì)科學與信息技術(shù)研究院，安徽省石墨烯先進材料工程實驗室主任，博士生導師，中國微米納米技術(shù)學會理事；中科院百人，先進材料國際協(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，曾獲先進材料國際協(xié)會科學家獎章和山西省科學技術(shù)獎。發(fā)明了石墨烯電化學綠色制備方法，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，授權(quán)PCT國際發(fā)明專利2項。在JACS、Angewandte等國際知名期刊發(fā)表學術(shù)論文50篇，多次受邀在國內(nèi)外學術(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/碳納米管復合材料的制備及應用進展
梁程景等，石墨烯的光電特性及其技術(shù)應用展望
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/留白）
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