石墨烯的未来在哪里——浅谈其制备及应用

谈梓贤

摘 要：石墨烯是一种新型的平面二维纳米材料。其主要特点为厚度薄、强度高。石墨烯的这种特殊结构使其在光电、医学等多领域都具有很高的应用价值。其目前在中国市场发展受到技术和政策层面的瓶颈，需通过市场化等角度来拓宽其市场。

关键词：石墨烯；应用

碳材料一直被认为是工业应用中的核心材料，而石墨烯作为碳材料家族中的新成员，其历史仅有十余年的時间，但其发展速度却远远超过了诸如碳纳米管等其他碳材料。一般而言，石墨烯是由一层密集的、包裹在蜂巢状晶体上的碳原子组成，是目前世界上最薄的二维材料，厚度仅为0.35nm。这种特殊的构造也让其具有了其他碳材料无法具有的优秀特点。近年来，科学界对石墨烯的研究逐渐从石墨烯的制备引申到是石墨烯的应用，在光电、医学等领域都已有了一定的成果。

本文在介绍石墨烯材料的发展历史和其材料特性的基础上，着重阐述了石墨烯在当前时代背景下的应用范围，同时具体论证了石墨烯材料目前所具有的优缺点。文章旨在对石墨烯材料作简单的分析，并对石墨烯未来的发展方向提出对应的意见。

1 石墨烯材料简介

1.1 石墨烯材料介绍

石墨烯是从石墨材料中剥离出来、由碳原子组成的二维晶体。它是一种由碳原子sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，可将其视为稳定的苯六元环结构。它的厚度极薄，只有一个碳原子的厚度。这种特殊的结构也赋予了它优良的物理化学特性。

1.2 石墨烯的历史

石墨烯的相关理论研究最早可追溯到1918年，V.Kohlschütter等人于当时描述了石墨类氧化物的性质。1948年，G.Ruess也通过电子显微镜观察到了数层石墨烯的重叠物（现在的石墨烯为单层）。但在石墨烯被正式发现以前，科学界普遍认为严格的二维晶体无法在非绝对零度下存在[1]。这一理论直到2004年才被推翻，英国曼彻斯特大学的AndreGrim等人采用“微机械力剥离法”[2]（简称剥离法）将石墨片在一种特殊的胶带上不断地撕开一分为二，最后得到了仅由一层碳原子构成的薄片。这一实验使得石墨烯材料一夜之间成为了科学界的热点，也使得他们于2010年获得了诺贝尔物理学奖。

自此以后，石墨烯的发展开始呈现指数级增长，短短十余年时间里，它已从实验室理论研究扩展到市场化应用，各种石墨烯产品层出不穷。

1.3 石墨烯的特点

根据石墨烯的相关历史和其结构，可以归纳出石墨烯主要有以下显著的特点：

（1）高硬度。众所周知，苯六元环类结构相对稳定，而石墨烯中的苯六元环两两结合，形成致密的蜂窝状结构，使得它的硬度比钢铁要高约100～200倍[3]。

（2）良好导电性能，具有极高的载流子迁移率[4-5]。在蜂窝状结构中，石墨烯的每个碳原子都有一个未成键的p电子，这些p电子可以在晶体中高速地自由移动。因此石墨烯的电阻率低，导电性能好。

（3）极高稳定性。石墨烯的熔点高达 3652 ?C，耐强酸强碱等恶劣环境，具有极好的稳定性。

（4）透明性佳。光子可以穿透除原子核外的其他所有空间，因此它被认为是一种近乎透明的物质。

2 石墨烯的发展现状

2.1 石墨烯的制备

经过十余年的研究，石墨烯的制备方式已不再局限于当初最基本的剥离法。目前，常见的石墨烯制备方法主要分为剥离法、化学气相沉淀法和氧化还原法。其中，化学气相沉淀法（CVD）因其高效性，操作工况简易，被认为是最有希望制备出高质量、大面积的石墨烯，同时也是产业化生产石墨烯薄膜最具潜力的方法。[6]这里对该方法进行一个简单介绍。

化学气相沉淀法制备石墨烯主要分为碳原子的溶解和碳原子的生长两个步骤。在溶解步骤中，甲烷、乙醇等碳氢化合物通入到高温加热的金属基底Cu、Ni表面，反应持续一定时间后进行冷却；冷却过程中，在基底表面便会形成数层或单层石墨烯，即为碳原子的生长过程。该方法所需反应条件温和，且生长后的石墨烯易分离，解决了制备中的难点。

2.2 石墨烯的应用

在1.3节中，文章已提到石墨烯具有硬度高、导电性能好等特点。这些特点使得石墨烯在很多领域都具有很高的应用价值：

（1）作为光电器件。光电器件中一个重要参数为载流子迁移率，过低的迁移率会导致耗热量大、散热困难、机器响应慢等问题。而石墨烯具有超高的载流子迁移率和热导率，迁移率是传统硅基材料的几十甚至几百倍。因此，石墨烯被认为是硅材料的良好替代物。从理论上来说，以石墨烯芯片为核心的电脑，其运行速度会有显著提升。

此外，由于石墨烯比表面积高，它可以作为高比容量电池。其充电速度极快，电容量也是同规格普通电池的2倍以上。Bercerill等人还发现它是理想的太阳能电池应用材料，他们将石墨烯类物质涂到石英表面后，透光率在400～1800nm下达到80%。而上海中科院上海硅酸盐所近期研制出一种高性能超级电容器电极材料：氮掺杂有序介孔石墨烯。该材料继承了石墨烯的电化学储能特性，可用作电动车“超强电池”。研究发现，仅仅充电7秒，其就能续航35km，远超传统锂电池充电性能。该新型石墨烯超级电容器体积轻巧，可实现规模生产。该成果也已被发表在《科学》杂志上。

（2）作为复合材料。石墨烯的优异性能不仅体现在其本身，当它和别的材料结合制成复合材料时，它的特性也会反映在复合材料中[7]。例如，三星在普通机屏幕材料中加入少量的石墨烯材料，在一定工序下可制成透明可弯曲屏。这也是未来手机和电视（曲面电视）的发展方向。而Chen等人发现，在热塑性聚氨酯中加入1%的石墨烯，能使其强度提高75%。

（3）作为催化剂。碳材料本身就是一种良好的催化剂载体，而石墨烯也继承了相关特性。石墨烯的单原子层结构和高电子活性使其具有一定的生物相容性，赖斯大学的化学家开发出利用一种独特的石墨烯嵌入金属纳米粒子的方式，从而制备出有用的燃料电池催化剂以及作用于其他应用领域。而在医学上，Dai等人制备了聚乙二醇功能化的石墨烯，实现了抗肿瘤药物在石墨烯上的高效负载。

（4）作为航天材料。石墨烯还可作为航天材料的传感器，对大气层或航天器本身进行检测。而在未来，科学家设想通过使用石墨烯等材料制造“太空梯”，完成地面到空间站的运输工作。

石墨烯技术的优势也不仅体现在材料本身的优异性，石墨烯的发展对于整个社会的发展也具有划时代的意义。它是一门结合了众多学科知识的综合性材料，因此，对石墨烯的研究也将带动众多领域的技术发展，其中最受益的当属新兴材料学和电子信息技术两大学科。值得一提的是，近年来，科学家们又发现了碳家族的新成员——石墨炔。目前，对于石墨炔和石墨烯两种同素异形体的性能比较的相关研究也已经开展。当然，石墨烯材料的研究意义也不仅仅是工业应用。在不久的将来，也许普通市民也能体会到石墨烯给生活带来的便捷，手机、电视等电器将会以曲面形式呈现，互动感会更强。装修材料也更为坚固，抗台风、抗震效果更好。有更多顽疾也将有相应的治疗方案，这些都是石墨烯在未来的发展方向。

2.3 石墨烯目前存在的问题

虽然石墨烯的优点突出，但不可否认的是，石墨烯的发展并不会一帆风顺。从近两年的情况来看，石墨烯在“实验室——工业量产”的趋势中遇到了一定的瓶颈，究其原因，主要有以下几点：

首先，石墨烯的制备困难，制造不出高质量石墨烯。石墨烯的制备精细度直接决定了成品的质量。而上文提到的方法由于成本较高、且各自适用范围较为局限，因此没有能真正适合大规模推广的工业量产技术。以化学气相沉积法为例，在实际制造中无法保证生长出的碳原子均是完整的六元环。这其中夹杂的“五元环”、“七元环”往往会成为该产品的结构弱点，这也是目前石墨烯发展所面临的最大瓶颈。

其次，石墨烯类产品还具有潜在的环境风险，石墨烯的相关产品对人体的毒理学尚不明确。科学家发现，石墨烯的衍生产品——“氧化石墨烯纳米颗粒”如果处理不当排入水中，便会极易扩散，缺乏相关的环评工作对其影响进行评估。

第三，虽然石墨烯的电学性能优异，但就目前的技术而言，石墨烯和金属电极的接触点电阻很难对付。传统的半导体晶体管能控制电源的开和关两种状态，但石墨烯过于优秀的导电性能使得其控制的电源“只能开不能关”，而现有的技术尚无法完全解决这一问题。因此，目前只能通过添加其他复合材料、改变结构等方法来进行弥补。

最后，值得一提的是，政府对于石墨烯技术的扶持也并不充分。石墨烯材料研究如需获得突破，需要得到政府的大力支持。这种支持不仅是从人力、经济、资源等角度，更是从公众对石墨烯的认知角度而言。普通民众对于这种材料相对陌生，石墨烯的市场需求尚不明朗，无法实现市场化。因此，政府应该在加大资金扶持，鼓励研发石墨烯改进材料的同时，也应该通过科普讲座等形式让民众了解石墨烯材料的优异性能。公众对于新材料认知程度的提高也能助推材料的市场化进程。

3 石墨烯材料的前景展望

虽然石墨烯材料仍有一定缺陷，但不可否认的是它的出现颠覆了先前的理论，也带动了新材料的研究以及相关领域的发展。

未来，石墨烯材料的发展关键在于如下几点：

第一，石墨烯本身材料的优化，通过结合其他材料复合使用，或制备多层结构（微调其本身结构性能）来解决目前石墨烯应用中的难点。

第二，完善相关领域工作，对于石墨烯生产中的环境風险进行评估。此外，媒体不应夸大宣传炒作。在设计产品时就应充分考虑了这一材料特性的产品，而不是用来替代现有产品里的其他材料。总而言之，不是产品是为材料服务，而是材料为产品服务。

最后，大力发展石墨烯的市场化、商业化，实现大批量商业化定制。政府应该扮演一个引导者的角色，从资金扶持和公众推广两个角度发展石墨烯材料。

4 结论

石墨烯技术具有硬度高、导电性能好等特点。它在光电、化学等领域都具有良好的应用价值。目前石墨烯材料处于承前启后的发展关键阶段，需在发扬其优势的同时，努力解决自身存在的问题。而问题的解决核心在于技术的成熟化和市场化。

参考文献

[1]张唯诚.神奇的石墨烯[J].百科知识，2010 （20）：22-23.

[2]TANG P，XIAO J J，ZHENG C，et al.Graphene-like molybdenum disulfide and its application in optoelectronic devices[J].Acta Physico-Chimica Sinica，2013，29（4）：667-677.

[3]魏宁.石墨烯的力学和热学性质的分子动力学模拟[J].2012.

[4]朱龙秀，李英芝，赵昕，等.电化学法制备石墨烯及其导电特性[J].高等学校化学学报，2012，33（08）：1804-1808.

[5]庞渊源.石墨烯在半导体光电器件中的应用[J].液晶与显示，2011，26（3）：296-300.

[6]胡耀娟，金娟，张卉，等.石墨烯的制备，功能化及在化学中的应用[J].物理化学学报，2010，26（8）：2073-2086.

[7]黄毅，陈永胜.石墨烯的功能化及其相关应用[J].中国科学化学 （中文版），2009，39（9）：887-896.