石墨烯功能材料的绿色制备与应用

中国粉体网讯  石墨烯是一种二维材料，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。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，是碳的一种新型二维纳米结构形式。石墨烯可以被看作是一种石墨薄层，1mm的石墨片层有大约300万层石墨烯，石墨烯厚度仅有0.335nm。石墨烯还是目前可见的透明度最高的材料，玻璃的透光率为87%，而石墨烯薄膜透光率可达97.7%。

通常制备石墨烯的方法有物理法和化学法。物理法有固相机械剥离法、液相溶剂剥离法等；化学法有氧化还原法、化学气相沉积法、电化学法、外延生长法等。

固相机械剥离法

固相机械剥离法是利用机械力重复切一块石墨，直到得到石墨烯薄层的方法。施加的机械力可以克服石墨烯结构相邻层之间的范德华引力，打破范德华力势垒，分离两层石墨烯。2004年，安德烈·盖姆和康斯坦丁·诺沃肖罗夫利用透明胶带对高度定向热解的石墨进行机械剥离得到首个单层石墨烯。这种方法可以得到高质量的石墨烯层，但是费时费力、不可控因素较多、难以大规模制备，也很难制得大面积石墨烯。

中国科学家赵伟峰等人发明了一种球磨剥离石墨制备石墨烯的方法，该方法需要在球磨过程中添加合适的溶剂。这种方法可以以低成本从厚石墨薄片中批量生产晶体结构完整的石墨烯薄片，而且能够用于大规模生产。

液相溶剂剥离法

液相溶剂剥离法是将石墨片或石墨衍生物分散于溶剂（如N,N-二甲基甲酰胺、邻二氯苯、N-甲基-吡咯烷酮）中，再用超声、加热等方法得到石墨烯的方法。这种方法可以保持石墨烯结构和导电性能不被破坏，但是经常会有石墨烯团聚的现象。超声法虽然非常简单，适合在实验室制备石墨烯薄片，但超声法制备的石墨烯的浓度非常低，不利于实际使用。而且需要注意超声时间，过度的超声处理会破坏石墨烯的结构。

氧化还原法

氧化还原法是将天然石墨通过热处理或在边界连接含氧基团进行氧化，再经过外力剥离得到单层氧化石墨烯，最后将氧化石墨烯还原得到石墨烯的方法。常用的还原方法有：热还原法、电化学还原法、微波还原法、等离子体还原法等。这种方法成本低、产量高，可以高效地制备出大面积独立的单层石墨烯，适用于大规模生产。生产出的石墨烯可以应用于光电池和电化学装置等领域。

化学气相沉积法

化学气相沉积法（CVD）是目前工业上应用最广泛的一种制备石墨烯薄膜材料的方法之一。它是利用高温可分解的含碳化合物作为碳源，通过高温退火使石墨烯在基体表面生长，最后从基体表面移除获得石墨烯薄片。一般碳源可选择甲烷、甲醇、乙烷、乙烯、乙醇、乙炔、聚合物等，基体多为金属Ni、Pt、Ru。但经研究，碳源还可以为饼干、巧克力、草、塑料、蟑螂等物质，而且选择这些物质合成石墨烯更加的低成本、无毒以及绿色。

电化学法

电化学法是在水溶液或有机电解质中的石墨工作电极上应用阴极或阳极电位的方法。使用阳极电位有助于将负的阴离子插入到石墨层中，导致石墨逐渐膨胀，然后连续脱落形成石墨烯薄片。电化学法还可以将氧化石墨烯上的含氧基团还原以制备石墨烯。

外延生长法

外延生长法是指在高温下加热碳化硅(SiC)单晶体，脱除SiC表面的Si原子留下C原子重构，继而获得与原SiC差不多面积的石墨烯薄层。这种方法能够制备出1-2个碳原子层厚的石墨烯，但是该方法不能获得大面积厚度均一的石墨烯层。

石墨烯在电池储能中的应用

作为导电剂：石墨烯可以作为导电剂应用于锂离子电池、钠离子电池等，提高电池的导电性和充放电性能。例如，石墨烯导电剂可以降低电池的内阻，提高电池的倍率性能，使电池能够快速充放电。

构建固态电解质：研究石墨烯-金属锂固态电解质的锂离子电池，有望提高锂离子电池的安全性和能量密度。

石墨烯在催化领域的应用

二氧化碳转化：王俊中教授课题组制备的石墨烯铆钉单原子铁FeN₅催化活性中心，在电化学二氧化碳还原反应中表现出优异的催化性能，在低过电位下，法拉第效率达到97.0%，为二氧化碳的资源化利用提供了科学依据。

氧还原反应：石墨烯基非贵金属催化剂在燃料电池阴极氧还原反应、金属-空气电池催化剂等方面具有潜在的应用前景，可部分取代昂贵的Pt/C催化剂。

石墨烯在复合材料中的应用

高分子复合材料：与高分子结合制备石墨烯橡胶、石墨烯芳纶等高分子复合材料，可提高材料的力学性能、导电性和耐热性等，在航空航天等领域具有应用价值。

碳基复合材料：如碳纤维/石墨烯/活性炭复合碳材料，有望使得车身储能一体化，为未来汽车轻量化和储能一体化提供了可能性。

石墨烯在光学器件中的应用

石墨烯在常温常压下是接近透明的固体，具有透光性。它在红外区间具有非常突出的非线性光学特性，其非线性折射率为10^-7cm2/ W。石墨烯具有高灵敏、良好的非线性光学特性以及抗电磁干扰能力，能够作为光纤传感器、光开关等光学器件。石墨烯还在在图像处理、光学存储及人员和器件保护等诸多光学领域有重要的应用。

2024年10月29-31日在上海跨国采购会展中心，由北京粉体技术协会与柏德英思展览(上海)有限公司联合主办2024第三届低维碳纳米材料制备及应用技术交流会。届时来自安徽大学的王俊中教授将作题为《石墨烯功能材料的绿色制备与应用》的报告。报告主讲人将介绍石墨烯功能材料的绿色制备方法和石墨烯在各个领域的应用及展望。

专家简介：

王俊中教授，现任职安徽大学物质科学与信息技术研究院，安徽省石墨烯先进材料工程实验室主任，博士生导师，中国微米纳米技术学会理事；中科院百人，先进材料国际协会会士（IAAM Fellow），入选国家科技专家库。先后留学日本和新加坡8年，在中科院山西煤化所任课题组长和研究员8年，曾获先进材料国际协会科学家奖章和山西省科学技术奖。发明了石墨烯电化学绿色制备方法，在国内外孵化2家石墨烯科技企业。授权发明专利20项，授权PCT国际发明专利2项。在JACS、Angewandte等国际知名期刊发表学术论文50篇，多次受邀在国内外学术和行业会议做报告。

参考来源：

李韦韦等，石墨烯的制备及其在NMP中分散性能研究

赵冬梅等，石墨烯/碳纳米管复合材料的制备及应用进展

梁程景等，石墨烯的光电特性及其技术应用展望

（中国粉体网编辑整理/留白）

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