簡析“新材料之王”石墨烯：何時與現(xiàn)實“接軌”？

時間:2015-12-09 08:48來源:中國科學報 作者:西顧
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       去年，華為掌門人任正非曾表示，未來10～20年，將迎來石墨烯顛覆硅的時代。隨后，有西方媒體報道，西班牙研發(fā)出石墨烯電池，充電8分鐘可續(xù)航1000公里。近年來，石墨烯似乎已成為無所不能的新材料之王。
 
　　中國科學院長春應用化學研究所（以下簡稱長春應化所）研究員牛利等人近日在石墨烯材料的制備及應用研究方面取得重要進展，該成果獲得2015年吉林省自然科學獎一等獎。
 
　　牛利在接受記者采訪時表示：“雖然石墨烯材料具有相當特殊的物理及化學屬性，但距離真正的實際應用還有很長的路要走。”
 
　　超級材料
 
　　石墨烯存在于自然界，只是難以剝離出單層結構，厚1毫米的石墨大約包含300萬層石墨烯。
 
　　2004年，英國曼徹斯特大學的兩位科學家安德烈·蓋姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫從高定向熱解石墨中剝離出石墨片，然后將薄片的兩面粘在一種特殊的膠帶上，撕開膠帶，就能把石墨片一分為二。
 
　　他們不斷地這樣操作，于是薄片越來越薄，最后，他們得到了僅由一層碳原子構成的薄片，這就是石墨烯。兩人也因此獲得2010年度諾貝爾物理學獎。
 
　　據(jù)牛利介紹，石墨烯是碳原子緊密堆積成單層二維蜂窩狀結構的一種碳質新材料，具有極好的電學、力學、熱學以及光學性能。
 
　　常溫下，石墨烯電阻率比銅或銀更低，是世界上電阻率最小的材料。石墨烯因電阻率低、電子遷移的速度快，有望用來發(fā)展更薄、導電速度更快的新一代電子元件或晶體管。
 
　　石墨烯既是最薄的材料，也是最韌的材料。曾有實驗證實，如果用一塊面積1平方米的石墨烯做成吊床，本身重量不足1毫克，卻可以承受一只一千克的貓。
 
　　另外，石墨烯幾乎是完全透明的，只吸收2.3%的光，即使是最小的氣體原子（氦原子）也無法穿透。這些特征使得它非常適合作為透明電子產(chǎn)品的原料，如透明的觸摸顯示屏、發(fā)光板和太陽能電池板。
 
　　石墨烯的特殊性能使其迅速成為國際先進材料研發(fā)的新熱點，引發(fā)了國內外科研人員的跟蹤研究，牛利團隊就是其中之一。
 
性能改良
 
　　這些年，牛利帶領長春應化所現(xiàn)代分析技術工程實驗室材料電化學課題組，密切關注國際石墨烯材料研發(fā)發(fā)展的最新趨勢，圍繞二維石墨烯材料理論設計、制備合成、性質表征以及其在電分析化學領域的應用開展了系列研究工作。
 
　　由于石墨烯片層之間具有強烈的相互作用，使其非常難以剝離。牛利告訴記者：“傳統(tǒng)的氧化剝離方法是通過強氧化劑，讓石墨烯邊緣發(fā)生氧化作用，出現(xiàn)片層結構扭曲。這種方法由于使用大量的強氧化劑，如高錳酸鉀、濃硫酸等試劑，制備的石墨烯材料結構可控性差，缺陷多，產(chǎn)率也較低。”此外，該方法直接產(chǎn)生的是石墨烯氧化物，還需要進一步的還原處理才能得到最終的石墨烯材料。
 
　　牛利團隊利用微波能量輔助，同時輔以有機小分子插層劑，在石墨片層間通過微波逐漸滲透插層劑，使石墨烯片層逐漸剝離。“這項技術方法無需經(jīng)過石墨烯氧化階段，不僅可以直接制得高度還原性的石墨烯材料，還可以低成本、大批量制備高品質的石墨烯材料。”
 
　　當前，國際上制備石墨烯薄膜多采用昂貴的CVD（化學氣相沉積）方法，牛利團隊發(fā)現(xiàn)，這種方法很難控制薄膜的厚度，特別是難以進行復雜的圖案化設計。另外，化學還原劑無論是液態(tài)還是氣相的，都會導致二次化學試劑的使用。
 
　　“我們采用電化學技術，僅僅通過界面的電子轉移過程，就可以控制石墨烯氧化物在界面的電化學還原沉積程度，這種方法技術簡單、成本低廉、綠色環(huán)保，同時結構厚度、性狀可控。”牛利說。
 
　　牛利團隊還探索了新型石墨烯及其雜化材料在電極界面修飾、分析傳感及其他相關領域的應用。
 
▲顯微鏡下的石墨烯“單晶”
 
　　目標驅動
 
　　他們設計制備了石墨烯片層、薄膜和石墨烯雜化材料，并進一步探索了石墨烯及其雜化材料的化學結構特征和反應機理，將石墨烯及其雜化材料應用在傳感分析、復合材料以及能源環(huán)境領域。
 
　　“作為工業(yè)技術，石墨烯要實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，仍有許多未能克服的困難。”牛利指出，盡管國際上已經(jīng)發(fā)布一些研究結果，將石墨烯用于電池電極材料、電容器器件構造、力學增強材料、導熱薄膜等應用領域中，但這些領域的研究還有諸多的科學及工程技術問題亟待解決。
 
　　因為石墨烯的制備方式目前在技術上還存在缺陷，通過實驗室內研制的石墨烯成本居高不下。曾有研究人員計算出目前的石墨烯價格高達5000元/克，比黃金還貴十幾倍。
 
　　圍繞化學制備石墨烯材料，低成本、大批量制備高品質石墨烯是個值得關注的技術問題。圍繞微電子學及器件領域，科研人員還需要解決如何降低器件材料的制備成本、提高器件結構的均一性，如何將微觀操作及納米構造技術用于石墨烯器件中等問題。
 
　　目前在石墨烯材料的一些應用領域，如儲能器件、導熱材料、透明薄膜等方面，雖然已經(jīng)有圍繞需求的、具有應用前景的研究工作報道，但由于缺乏明顯的直接應用領域及工程技術方法的結合應用，導致研究工作與應用需求還存在一定的距離。
 
　　牛利告訴記者：“將基礎研究與工程技術方法有機結合，特別是與應用目標驅動結合，將會使石墨烯材料研究成果更好地投入到實際應用中。”
 
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