簡(jiǎn)析“新材料之王”石墨烯：何時(shí)與現(xiàn)實(shí)“接軌”？

時(shí)間:2015-12-09 08:48來(lái)源:中國(guó)科學(xué)報(bào) 作者:西顧
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       去年，華為掌門人任正非曾表示，未來(lái)10～20年，將迎來(lái)石墨烯顛覆硅的時(shí)代。隨后，有西方媒體報(bào)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(lái)，石墨烯似乎已成為無(wú)所不能的新材料之王。
 
　　中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春應(yīng)用化學(xué)研究所（以下簡(jiǎn)稱長(zhǎng)春應(yīng)化所）研究員牛利等人近日在石墨烯材料的制備及應(yīng)用研究方面取得重要進(jìn)展，該成果獲得2015年吉林省自然科學(xué)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)。
 
　　牛利在接受記者采訪時(shí)表示：“雖然石墨烯材料具有相當(dāng)特殊的物理及化學(xué)屬性，但距離真正的實(shí)際應(yīng)用還有很長(zhǎng)的路要走。”
 
　　超級(jí)材料
 
　　石墨烯存在于自然界，只是難以剝離出單層結(jié)構(gòu)，厚1毫米的石墨大約包含300萬(wàn)層石墨烯。
 
　　2004年，英國(guó)曼徹斯特大學(xué)的兩位科學(xué)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(kāi)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(lái)越薄，最后，他們得到了僅由一層碳原子構(gòu)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(xué)獎(jiǎng)。
 
　　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(jié)構(gòu)的一種碳質(zhì)新材料，具有極好的電學(xué)、力學(xué)、熱學(xué)以及光學(xué)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(lái)發(fā)展更薄、導(dǎo)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(shí)驗(yàn)證實(shí)，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(wú)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(yáng)能電池板。
 
　　石墨烯的特殊性能使其迅速成為國(guó)際先進(jìn)材料研發(fā)的新熱點(diǎn)，引發(fā)了國(guó)內(nèi)外科研人員的跟蹤研究，牛利團(tuán)隊(duì)就是其中之一。
 
性能改良
 
　　這些年，牛利帶領(lǐng)長(zhǎng)春應(yīng)化所現(xiàn)代分析技術(shù)工程實(shí)驗(yàn)室材料電化學(xué)課題組，密切關(guān)注國(guó)際石墨烯材料研發(fā)發(fā)展的最新趨勢(shì)，圍繞二維石墨烯材料理論設(shè)計(jì)、制備合成、性質(zhì)表征以及其在電分析化學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用開(kāi)展了系列研究工作。
 
　　由于石墨烯片層之間具有強(qiáng)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(guò)強(qiáng)氧化劑，讓石墨烯邊緣發(fā)生氧化作用，出現(xiàn)片層結(jié)構(gòu)扭曲。這種方法由于使用大量的強(qiáng)氧化劑，如高錳酸鉀、濃硫酸等試劑，制備的石墨烯材料結(jié)構(gòu)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(jìn)一步的還原處理才能得到最終的石墨烯材料。
 
　　牛利團(tuán)隊(duì)利用微波能量輔助，同時(shí)輔以有機(jī)小分子插層劑，在石墨片層間通過(guò)微波逐漸滲透插層劑，使石墨烯片層逐漸剝離。“這項(xiàng)技術(shù)方法無(wú)需經(jīng)過(guò)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(zhì)的石墨烯材料。”
 
　　當(dāng)前，國(guó)際上制備石墨烯薄膜多采用昂貴的CVD（化學(xué)氣相沉積）方法，牛利團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，這種方法很難控制薄膜的厚度，特別是難以進(jìn)行復(fù)雜的圖案化設(shè)計(jì)。另外，化學(xué)還原劑無(wú)論是液態(tài)還是氣相的，都會(huì)導(dǎo)致二次化學(xué)試劑的使用。
 
　　“我們采用電化學(xué)技術(shù)，僅僅通過(guò)界面的電子轉(zhuǎn)移過(guò)程，就可以控制石墨烯氧化物在界面的電化學(xué)還原沉積程度，這種方法技術(shù)簡(jiǎn)單、成本低廉、綠色環(huán)保，同時(shí)結(jié)構(gòu)厚度、性狀可控。”牛利說(shuō)。
 
　　牛利團(tuán)隊(duì)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(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用。
 
▲顯微鏡下的石墨烯“單晶”
 
　　目標(biāo)驅(qū)動(dòng)
 
　　他們?cè)O(shè)計(jì)制備了石墨烯片層、薄膜和石墨烯雜化材料，并進(jìn)一步探索了石墨烯及其雜化材料的化學(xué)結(jié)構(gòu)特征和反應(yīng)機(jī)理，將石墨烯及其雜化材料應(yīng)用在傳感分析、復(fù)合材料以及能源環(huán)境領(lǐng)域。
 
　　“作為工業(yè)技術(shù)，石墨烯要實(shí)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(guó)際上已經(jīng)發(fā)布一些研究結(jié)果，將石墨烯用于電池電極材料、電容器器件構(gòu)造、力學(xué)增強(qiáng)材料、導(dǎo)熱薄膜等應(yīng)用領(lǐng)域中，但這些領(lǐng)域的研究還有諸多的科學(xué)及工程技術(shù)問(wèn)題亟待解決。
 
　　因?yàn)槭┑闹苽浞绞侥壳霸诩夹g(shù)上還存在缺陷，通過(guò)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)研制的石墨烯成本居高不下。曾有研究人員計(jì)算出目前的石墨烯價(jià)格高達(dá)5000元/克，比黃金還貴十幾倍。
 
　　圍繞化學(xué)制備石墨烯材料，低成本、大批量制備高品質(zhì)石墨烯是個(gè)值得關(guān)注的技術(shù)問(wèn)題。圍繞微電子學(xué)及器件領(lǐng)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(jié)構(gòu)的均一性，如何將微觀操作及納米構(gòu)造技術(shù)用于石墨烯器件中等問(wèn)題。
 
　　目前在石墨烯材料的一些應(yīng)用領(lǐng)域，如儲(chǔ)能器件、導(dǎo)熱材料、透明薄膜等方面，雖然已經(jīng)有圍繞需求的、具有應(yīng)用前景的研究工作報(bào)道，但由于缺乏明顯的直接應(yīng)用領(lǐng)域及工程技術(shù)方法的結(jié)合應(yīng)用，導(dǎo)致研究工作與應(yīng)用需求還存在一定的距離。
 
　　牛利告訴記者：“將基礎(chǔ)研究與工程技術(shù)方法有機(jī)結(jié)合，特別是與應(yīng)用目標(biāo)驅(qū)動(dòng)結(jié)合，將會(huì)使石墨烯材料研究成果更好地投入到實(shí)際應(yīng)用中。”
 
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  • 續(xù)航里程1000公里！寧德時(shí)代發(fā)布神行PLUS電池

    4月25日，在2024北京車展上，寧德時(shí)代舉行乘用車新品發(fā)布會(huì)，發(fā)布神行PLUS電池，續(xù)航里程1000公里。同時(shí)，充電10分鐘可續(xù)航600公里。
    2024-04-25 17:53

  • 天奇股份牽手長(zhǎng)安汽車 共同打造動(dòng)力電池全生命周期產(chǎn)業(yè)鏈閉環(huán)！

    天奇股份4月18日公告，擬與中國(guó)長(zhǎng)安、長(zhǎng)安汽車共同投資設(shè)立合資公司，并以合資公司為主體合作開(kāi)展電池回收、梯次利用及再生業(yè)務(wù)。目標(biāo)打造成為西南區(qū)域領(lǐng)先的電池回收標(biāo)桿企業(yè)。 合資公司的注冊(cè)資本為1.8億元，其中公司擬出資8820萬(wàn)元，持有合資公司49%的股
    2024-04-19 08:42

  • 50億元！這家公司擬在摩洛哥投建鋰電池負(fù)極材料項(xiàng)目

    4月26日晚間， 中科電氣 發(fā)布公告，宣布公司計(jì)劃通過(guò)其控股子公司湖南中科星城石墨有限公司，在中國(guó)香港或其他海外地區(qū)新設(shè)全資子公司， 以間接投資方式設(shè)立摩洛哥項(xiàng)目公司，實(shí)施一項(xiàng)年產(chǎn)10萬(wàn)噸鋰離子電池負(fù)極材料一體化基地項(xiàng)目 。 據(jù)了解， 項(xiàng)目計(jì)劃總投資
    2024-04-29 18:25

  • 全固態(tài)電池三大技術(shù)路線，誰(shuí)將最終勝出？

    近年來(lái)，憑借高密度、更安全性、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是“最具潛力的下一代鋰電池技術(shù)”的固態(tài)電池受到市場(chǎng)關(guān)注，最新消息不斷。
    2024-04-22 18:17

  • 鋰礦龍頭一季度預(yù)虧超36億元，收深交所關(guān)注函！

    4月23日晚間，天齊鋰業(yè)發(fā)布業(yè)績(jī)預(yù)告，預(yù)計(jì)今年第一季度同比由盈轉(zhuǎn)虧。 同日晚間，深交所對(duì)天齊鋰業(yè)下發(fā)關(guān)注函，要求其結(jié)合主營(yíng)業(yè)務(wù)開(kāi)展情況、產(chǎn)品產(chǎn)銷量、產(chǎn)品價(jià)格等，分析2024年一季度虧損較2023年四季度大幅增加的原因，并說(shuō)明是否存在持續(xù)虧損風(fēng)險(xiǎn)等。 鋰
    2024-04-25 09:30

  • 又有車企公布全固態(tài)電池量產(chǎn)時(shí)間！

    當(dāng)?shù)貢r(shí)間4月16日，日產(chǎn)汽車公開(kāi)全固態(tài)電池試生產(chǎn)線的預(yù)定設(shè)置場(chǎng)所，在生產(chǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)等的橫濱工廠建筑內(nèi)確保了約1萬(wàn)平方米空間，為搬入設(shè)備推進(jìn)施工。 日產(chǎn)計(jì)劃2025年3月開(kāi)始生產(chǎn)全固態(tài)電池，目標(biāo)2028年度實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。據(jù)日產(chǎn)介紹，全固態(tài)電池的能量密度是傳統(tǒng)鋰離
    2024-04-18 08:43
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