石墨烯需在制备与应用领域持续突破
2023-12-26 科技日报

  在日前举办的第二十五届中国国际高新技术成果交易会上,全球首个产业化应用的二维石墨烯材料亮相。石墨烯被认为是“会改变世界的材料”。它是目前世界上已知最薄、最坚硬、导电性和导热性最好的材料。

  对于石墨烯材料来说,2010年是一个重要的年份。这一年,诺贝尔物理学奖授予了物理学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫,表彰他们“有关二维材料石墨烯的开创性实验”,石墨烯材料也因此进入公众视野。这种既透明轻薄同时又具有超强韧度的二维材料,已经成为当下材料科学领域的“明星”。

  用胶带“撕出”的诺贝尔奖

  石墨烯是一种二维材料,从结构上来说,它是由碳原子以六元环组构而成的二维平面。它是碳的一种新型二维纳米结构形式,衍生于石墨。在显微镜下观察石墨截面可以发现,石墨片层是由石墨烯紧密堆叠构成的。因此,石墨烯可以被看作是一种石墨薄层,1毫米的石墨片层有大约300万层石墨烯。如果把石墨比作一本书,石墨烯就是其中的一页,只不过这一页的厚度仅有0.335纳米,是普通纸张的三十万分之一。石墨烯还是目前可见的透明度最高的材料。玻璃通常作为透明材料使用。最透明的玻璃透光率为87%,而石墨烯薄膜透光率达到97.7%,肉眼看去几乎是透明的。

  早在19世纪中叶,科学家就发现了石墨特殊的层状结构。铅笔在纸上轻轻划过,留下的印记就是数层石墨烯。然而,科学界长期认为由于石墨烯自身的热力学不稳定性,其不可能在常温常压的条件下稳定存在。也就是说,石墨烯只存在于理论中,不是能实际存在的物质材料。

  这种成见统治了材料科学和凝聚态物理学领域100多年,直至21世纪初被海姆和康斯坦丁戏剧性的发现所打破。据北京创新爱尚家科技股份有限公司穿戴项目负责人王玉倩介绍,两位英国科学家使用胶带将石墨烯从石墨中剥离出来,然后用显微镜观察到了这种单层的碳原子结构,证实了石墨烯的存在。他们用胶带剥离法成功分离出石墨烯的做法,是石墨烯研究的重要突破。

  石墨烯的发现开启了二维材料世界的大门。时至今日,已经有700多种稳定存在的二维材料得到实验或理论认证。

  提高制备技术以满足多元需求

  大批量、低成本生产高质量的石墨烯材料,是其实现产业化应用的前提。但显然“用胶带撕下来”的剥离法并不适用于石墨烯材料规模化制备与生产。

  目前,石墨烯的制备主要包括“自上而下”法和“自下而上”法两种工艺。所谓的“自上而下”法,指的是以石墨为起点,从石墨中层层剥离,得到二维的微观石墨烯,是一个“由多到一”的过程;而“自下而上”法是指从含碳化合物开始,利用高能量破坏掉化合物的化学键,使其中一个个的碳原子从中脱离出来后规则地聚集,生长成为石墨烯,是一个“由零到一”的过程。前者主要包括液相剥离法、氧化还原法、机械剥离法,后者则主要包括化学气相沉积法、碳化硅晶体外延生长法。

  中国科学院院士、北京大学教授刘忠范介绍,石墨烯材料有3种不同的形态:粉体、薄膜、纤维。材料形态不同,用途也不一样。2010年至今,石墨烯材料的应用都是以粉体材料为主,用作电热产品、导电添加剂、防腐涂料等。未来10年值得期待的是一维石墨烯纤维材料,它有望用作散热膜、功能纤维、结构增强纤维,甚至超级导线等。

  王玉倩介绍,石墨烯具有优异的导电性,可以用于制造加热垫、加热片等加热元件,可以应用于多个领域,包括智能服装穿戴、清洁建筑供暖、汽车及轨道交通等行业。在2022年北京冬奥会上,从发热座椅到工作人员、运动员的保暖服装,都应用了石墨烯发热材料和石墨烯柔性织物。这些材料和织物表现出优异性能。

  刘忠范表示,再过10年左右,石墨烯薄膜材料或将成为主流应用材料,用其制备的水氧阻隔膜、分离膜、缓冲层、透明电极、触控屏、射频器件等,将逐渐从实验室走向产业化。因此从材料的形态上讲,从粉体材料到纤维材料,再到薄膜和晶圆材料,或许可以被视为石墨烯材料可预见的发展历程。

  同时,石墨烯材料产业还面临着一系列技术挑战。王玉倩举例道,目前石墨烯大规模生产成本仍然较高,需要寻找更加经济高效的方法;石墨烯的制备需要更好地控制其结构和性能,以满足不同应用的需求;石墨烯的生产和处理过程中可能会产生环境污染和废弃物处理问题,需要研究环保的生产方法。尽管石墨烯具有许多优异的特性,但如何在实际应用中利用好这些特性还需要更多的研究和探索。

  为产业寻求“杀手级应用”

  我国是世界第二大石墨资源国,已探明的石墨资源储量为2.6亿吨,石墨基础储量约占全世界总储量的33%,具有良好的产业发展基础。

  2015年,工业和信息化部、国家发展改革委、科技部等三部委联合发布的《关于加快石墨烯产业创新发展的若干意见》,成为我国石墨烯领域首个国家层面的纲领性文件。近年来,一系列石墨烯材料产业的相关扶持政策陆续出炉。今年8月,工业和信息化部、国务院国资委印发《前沿材料产业化重点发展指导目录(第一批)》,石墨烯名列其中。

  无论是石墨烯材料的基础研究还是产业化,中国都已走在世界前列。经过近10年的发展,国内石墨烯材料市场中,部分下游应用领域取得突破,如石墨烯导电剂已在新能源汽车市场得到广泛应用。

  随着国家“煤改电”等清洁能源政策的推动,全国已有几十个城市出台了扶持政策,使石墨烯电加热行业进入高速发展期。此外,石墨烯防腐涂料、石墨烯改性纺织品、石墨烯改性合金材料等应用也在不断发展成熟,中国成为石墨烯材料市场下游应用开发力度最大的国家。

  同时值得注意的是,欧美石墨烯材料市场的下游应用多为光电器件、传感器等高精密仪器。这些仪器对石墨烯材料的要求高,因此常采用“自下而上”法制备石墨烯材料。而我国市场上的石墨烯材料大部分采用“自上而下”法,通过氧化还原反应制备,虽然成本低、产量大,但由于质量尚有待提高,因此难以在集成电路等高精密度产品中应用。

  “我们起个大早,赶了个晚集。”刘忠范说,这也是他一直呼吁要寻找石墨烯“杀手级应用”的原因。在他看来,“杀手级应用”是建立在日趋完美的高性能石墨烯材料基础上的。“我们需要原创性的基础研究,也需要精益求精的研发和持续不断的投入。”刘忠范认为。

  来源:http://digitalpaper.stdaily.com/http_www.kjrb.com/kjrb/html/2023-12/26/content_564655.htm?div=-1

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