石墨烯為碳的一種的同素異構(gòu)體，碳的同素異構(gòu)體不同，其性能大不相同。無序結(jié)構(gòu)的炭黑就是我們常用的鉛筆芯材料，三維結(jié)構(gòu)的金剛石就是我們佩戴的高貴鉆戒首飾，而我們今天要講的二維結(jié)構(gòu)石墨烯更是神奇無限！

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石墨烯真有那么神奇嗎？

石墨烯(Graphene)是從天然石墨材料中剝離出來單純由碳原子組成的只有一層原子厚度的二維晶體。2006年英國曼徹斯特大學(xué)物理學(xué)家安德烈·蓋姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫成功從石墨中分離出石墨烯，首次證實(shí)它可以單獨(dú)存在，兩人也因此共同獲得2010年諾貝爾物理學(xué)獎。作為目前發(fā)現(xiàn)的最薄、強(qiáng)度最大、導(dǎo)電導(dǎo)熱性能最強(qiáng)的一種新型納米材料，石墨烯被稱為是"新材料之王"，科學(xué)家甚至預(yù)言石墨烯將"徹底改變21世紀(jì)"，極有可能掀起一場席卷全球的顛覆性新技術(shù)新產(chǎn)業(yè)革命。

那么石墨烯到底有多么神奇？概括起來石墨烯的突出性能如下：

導(dǎo)電性好

石墨烯同金屬一樣屬于優(yōu)秀的導(dǎo)電體，而不像其它碳材料那樣為半導(dǎo)體。石墨烯的電阻率只有約10-6Ω·cm，比金屬銅或銀更低，為目前世上電阻率最小的材料。

高導(dǎo)熱性

石墨烯的導(dǎo)熱系數(shù)高達(dá)5300W/m·K，高于碳納米管和金剛石，是一種新型高導(dǎo)熱材料。

導(dǎo)電奇快

石墨烯作為單質(zhì)，在室溫下傳遞電子的速度比已知任何導(dǎo)體都快。其中電子的運(yùn)動速度達(dá)到了光速的1/300，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了電子在一般導(dǎo)體中的運(yùn)動速度。石墨烯最有潛力的應(yīng)用是成為硅的替代品制造超微型晶體管，用來生產(chǎn)未來的超級計算機(jī)，用石墨烯取代硅計算機(jī)處理器的運(yùn)行速度將會快數(shù)百倍。

阻隔性高

雖然石墨烯已薄到極致，但其分子排列非常緊密，即使原子尺寸最小的氦也無法穿透它，因而具有很好的阻隔性能。

超薄性能

石墨烯是至今發(fā)現(xiàn)的厚度最薄的材料，薄是因?yàn)槭┦怯商荚訕?gòu)成的二維晶體，厚度只有一個原子。石墨烯不僅是已知材料中最薄的一種，還非常牢固堅硬。

磁性極強(qiáng)

石墨烯有強(qiáng)大的磁場力，通過將片狀石墨烯變形為“納米泡泡”，科學(xué)家通過觀測電子的行為估算出它們在其中受到300特斯拉的磁場力，而這之前的所有試驗(yàn)最高測到的是85特斯拉。這一發(fā)現(xiàn)有助于了解石墨烯的光電磁性質(zhì)。

強(qiáng)度甚高

石墨烯完美的晶格結(jié)構(gòu)，堪稱是人類已知強(qiáng)度最高的物質(zhì)，具有超出鋼鐵數(shù)十倍的強(qiáng)度。同時它又有很好的彈性，拉伸幅度能達(dá)到自身尺寸的20%。

高熱穩(wěn)定

石墨烯是由碳原子按六邊形晶格整齊排布而成的碳單質(zhì)，結(jié)構(gòu)非常穩(wěn)定，熱穩(wěn)定性很好。

完全透明

石墨烯幾乎是完全透明的，只吸收2.3%的光，具有極好的透光性。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等等。

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石墨烯到底從哪里來？

石墨烯不是自然界中天然存在的，是靠我們的人類制造出來的。

1、機(jī)械剝離法

機(jī)械剝離法即是用透明膠帶等類似裝置將高定向熱解石墨片按壓到其他表面上進(jìn)行多次剝離，最終得到單層或數(shù)層的石墨烯。2004年，英國的Geim和Novoselov等就是通過此方法在世界上首次得到了單層石墨烯，證明了二維晶體結(jié)構(gòu)在常溫下是可以存在的。

機(jī)械剝離方法操作簡單、制作樣本質(zhì)量高，是當(dāng)前制取單層高品質(zhì)石墨烯的主要方法。機(jī)械法石墨烯在剝離時需要剝離液輔助，因而石墨烯中混雜液體。此外，機(jī)械剝離法石墨烯尺寸較小且存在很大的不確定性，效率低、成本高，不適合大規(guī)模生產(chǎn)。機(jī)械剝離法石墨烯的原始性能保留完好，但是難以得到單層石墨烯產(chǎn)品。

2、氧化還原法

氧化石墨還原法也被認(rèn)為是目前制備石墨烯的最佳方法之一。其具體操作過程是先用強(qiáng)氧化劑濃硫酸、濃硝酸、高錳酸鉀等將石墨氧化成氧化石墨，氧化過程即在石墨層間穿插一些含氧官能團(tuán)，從而加大了石墨層間距，然后經(jīng)超聲處理一段時間之后，就可形成單層或數(shù)層氧化石墨烯，再用強(qiáng)還原劑水合肼、硼氫化鈉等將氧化石墨烯還原成石墨烯。

該方法操作簡單、制備成本低，可以大規(guī)模地制備出石墨烯，已成為石墨烯制備的有效途徑。另外該方法還有一個優(yōu)點(diǎn)，就是可以先生產(chǎn)出同樣具有廣泛應(yīng)用前景的功能化石墨烯--氧化石墨烯。缺點(diǎn)為氧化反應(yīng)使石墨烯的導(dǎo)電性能受到影響，用于導(dǎo)電、導(dǎo)熱改性時需要對石墨烯進(jìn)行還原處理改性，恢復(fù)原始的性能。另外氧化還原過程中容易引起石墨烯的晶體結(jié)構(gòu)缺陷，如碳環(huán)上碳原子的丟失等。

3、氣相沉積法

化學(xué)氣相沉積法簡稱為CVD法，被認(rèn)為最有希望制備出高質(zhì)量、大面積的石墨烯，是產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)石墨烯薄膜最具潛力的大規(guī)模生產(chǎn)方法，深州市德方納米科技股份有限公司就采用此技術(shù)產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)石墨烯。具體生產(chǎn)過程是：將碳?xì)浠衔锛淄?、乙醇等通入到高溫加熱的金屬基底Cu、Ni表面，反應(yīng)持續(xù)一定時間后進(jìn)行冷卻，冷卻過程中在基底表面便會形成數(shù)層或單層石墨烯，此過程中包含碳原子在基底上溶解及擴(kuò)散生長兩部分。該方法與金屬催化外延生長法類似，其優(yōu)點(diǎn)是可以在更低的溫度下進(jìn)行，從而可以降低制備過程中能量的消耗量，并且石墨烯與基底可以通過化學(xué)腐蝕金屬方法容易地分離，有利于后續(xù)對石墨烯進(jìn)行加工處理。

此方法所制備出的石墨烯的厚度難以控制，在沉淀過程中只有小部分可用的碳轉(zhuǎn)變成石墨烯，且石墨烯的轉(zhuǎn)移過程復(fù)雜，另外基底內(nèi)部C生長與連接往往存在缺陷。產(chǎn)品為大面積單層超級薄的薄膜，自身很容易卷曲，難以在聚合物中分散。

4、溶液合成法

深圳大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院劉劍虹教授發(fā)明的溶液法技術(shù)成功實(shí)現(xiàn)石墨烯合成產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)，并創(chuàng)建了深圳本征方程石墨烯技術(shù)股份有限公司，因技術(shù)保密原因這里不介紹具體方法。

溶液法合成的石墨烯產(chǎn)品為溶液，可以降添加材料在聚合物時加入以實(shí)現(xiàn)原位聚合物，并且溶液方便對其他材料進(jìn)行涂包覆覆改性。

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石墨烯可以與高分子結(jié)合嗎？

目前石墨烯的各類合成技術(shù)都已經(jīng)成熟，關(guān)鍵是石墨烯材料難以在其他基體中分散，是制約其大規(guī)模應(yīng)用的難點(diǎn)。沒有大規(guī)模應(yīng)用，石墨烯就沒有發(fā)展的動力。

石墨烯為什么難以分散？這是由于其特殊的結(jié)構(gòu)所決定的，具體原因如下：

1、片狀結(jié)構(gòu)

石墨烯為典型的片狀結(jié)構(gòu)，尤其是化學(xué)氣相沉積法生產(chǎn)的石墨烯厚度又很薄，在復(fù)合過程中很容易造成片狀結(jié)構(gòu)的褶皺，嚴(yán)重的甚至變程團(tuán)狀，破壞了片狀結(jié)構(gòu)的特性，達(dá)不到應(yīng)有的改性效果。尤其是采用CVD方法生產(chǎn)的石墨烯薄膜，片狀結(jié)構(gòu)特性更強(qiáng)。

2、分子間力

單層石墨烯層間的范德華力很大，外來物質(zhì)和外來力很難打開，因此難以分散在聚合物中，要采用各種方法降低分子間的范德華力。主要方法為增加石墨烯層數(shù)，單層石墨烯的尺寸還不到1納米，比表面積太大了很容易聚集，一般尺寸般達(dá)到10層（5納米）以上后范德華力會減弱一些，外來物質(zhì)材可以打開，添加到復(fù)合材料中才可以分散。但是層數(shù)要達(dá)到10層以上，就已經(jīng)成為石墨烯片了，很多改性作用發(fā)揮不出來。

氧化還原反應(yīng)生產(chǎn)的石墨烯因采用強(qiáng)氧化劑氧化，在石墨烯層之間產(chǎn)生了氧化基團(tuán)，降低了分子間力，與其他方法石墨烯相對而言其分散可能行性大大提高。

3、相容性問題

石墨烯材料分子結(jié)構(gòu)上官能團(tuán)成分很少，純凈石墨烯與聚合物的相容性不好。通過前面的分析可以清晰的看出，目前制約石墨烯應(yīng)用的最大瓶頸為分散性，為例提高其在聚合物中的分散性，常采用如下方法：

混合添加

采用片狀/球狀材料復(fù)合混合利于分散，如石墨烯/硫酸鋇、石墨烯/玻璃微珠等。

表面處理

石墨烯為碳元素六元環(huán)構(gòu)成的穩(wěn)定化合物，呈現(xiàn)出化學(xué)惰性，但是氧化還原法石墨烯在片狀的邊緣引入了親水基團(tuán)，可以進(jìn)行表面功能化改性。

（1）表面接枝處理采用諸如異氰酸酯、硅烷偶聯(lián)劑、有機(jī)胺、重氮鹽等試劑可以實(shí)現(xiàn)石墨烯的表面功能化。對單層石墨烯進(jìn)行功能團(tuán)接枝改性，這樣可以大幅度降低分子間的范德華力，不僅讓單層分散變的很容易，還可以提高與聚合物之間的相容性，可以制成分散均勻的石墨烯聚合物復(fù)合材料。

例如石墨烯懸浮液與異氰酸酯在氮?dú)獯嬖谙路磻?yīng)24小時，異氰酸酯可以與氧化還原反應(yīng)石墨烯片層的邊緣羥基或者羧基反應(yīng)，生成酰胺或者氨基甲酸酯。再如，將氧化石墨烯在丁胺和甲苯的存在下，三-氨丙基三乙氧基硅烷與石墨烯上的羥基反應(yīng)，可以生成硅氧鍵，進(jìn)行功能化改性的石墨烯可以分散在水、乙醇、DMF、DMSO、APTS中。

（2）表面等離子體處理采用四氟化碳等離子體進(jìn)行處理。

（3）表面活性劑處理如聚乙烯吡咯烷酮（PVP）、十二烷基苯磺酸鈉（SDBS)、木質(zhì)素磺酸鈉（SLS）、聚乙烯醇（PVA）、聚氧化乙烯、聚丙烯酸、聚甲基丙烯酸、聚丙烯酰胺等。

（4）表面硅烷偶聯(lián)劑處理如用硅烷KH-560處理。

添加相容劑

添加馬來酸酐等功能官能團(tuán)介質(zhì)聚合物材料，可以有效提高與樹脂的相容性。具體舉例如下：

將苯基異氰酸酯功能化的石墨烯1%加入到PS中，然后用二甲肼進(jìn)行還原，復(fù)合材料的電導(dǎo)率達(dá)到0.1S/cm。

將石墨烯先制成母料，在PC中加入3%就可以達(dá)到滲逾值，電導(dǎo)率達(dá)到1.2×10-4S/cm。而直接加入石墨烯微片，滲逾值高達(dá)9%。

原位處理技術(shù)

（1）溶液包覆

對于采用溶液法合成的石墨烯，在合成過程中和最終產(chǎn)品都是溶液?？梢圆捎迷痪酆衔锏姆椒ㄏ葘⒋卜勰┘尤敕磻?yīng)釜，在反應(yīng)過程中尺寸納米劑的石墨烯會在微米劑粉末上進(jìn)行反應(yīng)，最好包覆在粉末上面，并且不會團(tuán)聚。例如深圳本征方程石墨烯有限公司在容易聚合物中對金屬銅、鎳、氧化亞銅等您先包覆處理，包覆銅可以達(dá)到銀的導(dǎo)電效果，包覆氧化亞銅可以大大提高其抗菌效果。

（2）原位聚合物

在原位溶液法聚合物石墨烯的同時，將聚合物單體如PMMA、尼龍6等和引發(fā)劑一起加入，同時進(jìn)行聚合反應(yīng)。

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石墨烯真的可以改變我們的生活嗎？

隨著石墨烯批量化生產(chǎn)以及大尺寸等難題的逐步突破，石墨烯的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用步伐正在加快。有專家預(yù)計，未來幾年內(nèi)石墨烯將主要用于“導(dǎo)電油墨”、“防腐涂料”、“散熱材料”、“鋰電池”、“超級電容”等五大領(lǐng)域。

領(lǐng)域一：導(dǎo)電油墨導(dǎo)電油墨是用導(dǎo)電材料制成的油墨，具有一定程度導(dǎo)電質(zhì)，可作為印刷導(dǎo)電點(diǎn)或?qū)щ娋€路之用。近年來在手機(jī)、玩具、薄膜開關(guān)、太陽能電池、遠(yuǎn)紅外發(fā)熱膜以及射頻識別技術(shù)等行業(yè)中應(yīng)用越來越廣泛。過去數(shù)十年，導(dǎo)電油墨最大的下游是太陽能電池以及顯示器件。未來包括觸摸傳感器及其電極、RFID以及電子紙張的應(yīng)用也將同時保持增長。

石墨烯應(yīng)用在油墨的優(yōu)勢主要有兩點(diǎn)：一是兼容性強(qiáng)，石墨烯油墨可在塑料薄膜、紙張及金屬箔片等多種基材上實(shí)現(xiàn)印刷;二是性價比高，與現(xiàn)有的納米金屬導(dǎo)電油墨相比，石墨烯油墨具有較大的成本優(yōu)勢。由于石墨烯的良好性能，其制成的油墨具有電阻小、導(dǎo)電性強(qiáng)以及光學(xué)透明性高等特點(diǎn)，在各類導(dǎo)電線路以及傳感器、無線射頻識別系統(tǒng)、智能包裝、醫(yī)學(xué)監(jiān)視器等電子產(chǎn)品中有廣泛應(yīng)用。2015年導(dǎo)電油墨的產(chǎn)量也已達(dá)到80萬噸。預(yù)計到2015年導(dǎo)電油墨產(chǎn)量將達(dá)到130萬噸，隨著石墨烯的生產(chǎn)技術(shù)成熟、成本降低，石墨烯導(dǎo)電油墨將逐漸占據(jù)市場份額。預(yù)計到2020年導(dǎo)電油墨領(lǐng)域石墨烯應(yīng)用市場規(guī)模達(dá)到2億元。

領(lǐng)域二：防腐涂料涂料中添加石墨烯后，石墨烯能夠形成穩(wěn)定的導(dǎo)電網(wǎng)格，有效提高鋅粉的利用率，從實(shí)際效果來看，添加約5%的石墨烯粉，可減少50%鋅粉的使用量。同時，石墨烯涂層能在金屬表而與活性介質(zhì)之間形成物理阻隔層，對基底材料起到良好的防護(hù)作用。近年石油化工、鐵路交通、新能源、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)等更是蓬勃發(fā)展，為防腐涂料提供了廣闊的市場空間。我國石墨烯新型防腐涂料，已于2015年3月20日在江蘇道森新材料有限公司成功研發(fā)，并已應(yīng)用于海上風(fēng)電塔筒的防腐，近來已有很多企業(yè)均開發(fā)出相關(guān)產(chǎn)品并在各類防腐領(lǐng)域應(yīng)用。未來石油化工、鐵路交通、新能源、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)等更是蓬勃發(fā)展，為防腐涂料提供了廣闊的市場空間。預(yù)計到2020年防腐涂料領(lǐng)域石墨烯應(yīng)用市場規(guī)模達(dá)到5~8億元。

領(lǐng)域三：散熱材料電子和光子器件的散熱是影響電子技術(shù)發(fā)展的主要問題，手機(jī)、電腦、微型電路等設(shè)備的散熱主要通過各類散熱片來解決。目前，市場中的電子產(chǎn)品的散熱片主要是石墨散熱片。但是，石墨烯導(dǎo)熱片的導(dǎo)熱快、可折疊等性能要遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于石墨片，極佳的散熱材料如熱導(dǎo)纖維、熱導(dǎo)塑料等，并且技術(shù)難度小、工藝相對成熟，存在快速進(jìn)入市場的機(jī)會。尤其在智能手機(jī)領(lǐng)域，手機(jī)要求輕薄、便攜，未來要求可折疊，因此石墨烯導(dǎo)熱膜具有極大優(yōu)勢。預(yù)估未來采用石墨烯散熱膜進(jìn)行散熱的散熱組件占總電子產(chǎn)品及LED產(chǎn)品市場的10%，即可為石墨烯散熱膜帶來15-20億左右的市場空間。

領(lǐng)域四：鋰電池石墨烯在鋰離子電池中的應(yīng)用比較多元化，目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)商業(yè)化的是用在正極材料中作為導(dǎo)電添加劑，來改善電極材料的導(dǎo)電性能，提高倍率性能和循環(huán)壽命。目前比較成熟的應(yīng)用是將石墨烯制成導(dǎo)電漿料用于包覆磷酸鐵鏗等正級材料。正極用包覆漿料目前主要包括石墨漿料、碳納米管漿料等，隨著石墨烯粉體、石墨烯微片粉體量產(chǎn)、成本持續(xù)降低的情況下，石墨烯漿料將呈現(xiàn)更好的包覆性能。石墨烯漿料將隨鋰電池增長而穩(wěn)步上升。鋰離子電池主要應(yīng)用于手機(jī)、筆記本電腦、攝像機(jī)等便攜式電子器件等方面，并積極地向電動力汽車等新能源汽車領(lǐng)域擴(kuò)展，具有長期發(fā)展前景。

由于石墨烯對于電池性能有諸多提升作用，對動力電池性能要求的不斷提升必將拉動石墨烯在電池領(lǐng)域的發(fā)展。同時石墨烯電池行業(yè)規(guī)模有望充分受益于動力電池的放量，分享新能源汽車行業(yè)的增長。

領(lǐng)域五：超級電容石墨烯的電導(dǎo)率高、比表而積大、且化學(xué)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，表而更有效的釋放，有利于電子的滲透和運(yùn)輸，更加適合作為超級電容器電極材料。目前，我國已經(jīng)實(shí)現(xiàn)石墨烯超級電容器的投產(chǎn)，技術(shù)上已經(jīng)完全可以實(shí)現(xiàn)石墨烯超級電容器的生產(chǎn)。根據(jù)美國IDTechEx公司報告，全球超級電容器市場將從2013年的8億美元增長到2018年的31.3億美元，年復(fù)合增長率達(dá)到30.2%。而石墨烯基超級電容器的產(chǎn)業(yè)化也在不斷推進(jìn)：在國內(nèi)，中國中車研發(fā)的3伏/12000法拉石墨烯/活性碳復(fù)合電極超級電容和2.8伏/30000法拉石墨烯納米混合型超級電容已經(jīng)獲得中國工程院鑒定，整體技術(shù)達(dá)到目前世界超級電容單體的最高水平。根據(jù)測算，2016年中國超級電容器市場規(guī)模將突破30億元，預(yù)計2020年中國超級電容器市場規(guī)模將超過60億元。石墨烯在超級電容市場潛在應(yīng)用規(guī)模達(dá)到3~5億元。