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石墨烯材料的宏量制备和产业化应用

 墨烯被定义为由碳六元环结构单元在二维平面内有序排列构成的二维晶体。早在石墨烯材料受到广泛关注之前,H. P. Boehm(1959)和R. S. Ruoff(1996)等研究组就利用氧化石墨和石墨微片作为原料获得了单层和少层石墨片(现在被称为‘化学改性石墨烯’和‘少层石墨烯’等)。2004年,曼彻斯特大学Geim和Novoselov利用透明胶带从高定向热解石墨中剥离出高质量单层石墨烯,并对其物理性质进行了研究。自此,石墨烯的诸多独特物理性质逐渐被实验验证,包括高电子迁移率、高热导率、高强度、高阻隔性等。石墨烯的这些性质引起了人们的广泛兴趣,催生了石墨烯及相关材料的制备及在物理、化学、材料、生物等多个领域的应用研究和功能展示,也直接推动了以二硫化钼(A. K. Geim, 2005)等为代表的二维材料体系研究。石墨烯相关的研究成果激发了工业界的极大热情,产业化进程方兴未艾。其中,石墨烯的宏量制备和产品应用是目前石墨烯产业化进程中的两大核心问题。

基于石墨烯研究开发现状,中国科学技术大学朱彦武教授和季恒星教授联合中国科学院金属研究所和清华-伯克利深圳学院的成会明研究员、韩国蔚山国立科技大学Rodney S. Ruoff教授,对当前石墨烯产业化中主流的宏量制备技术、应用领域和市场上已出现的若干石墨烯产品进行了综述,近期以“Mass Production and Industrial Applications of Graphene Materials”为题发表于《国家科学评论》(National Science Review, 2017, https://doi.org/10.1093/nsr/nwx055)。

文章指出,尽管单层石墨结构被普遍用于定义石墨烯,但通过不同制备技术得到的石墨烯材料却形式多样、性质有别。机械剥离法、氧化还原法和化学气相沉积法是目前石墨烯产业化中采用的代表性制备技术路径,分别生产出石墨烯浆料、石墨烯粉体和石墨烯薄膜等主体材料。这些石墨烯材料的宏观形态和微观结构、主要物理和化学性质都有明显差异;规模制备中涉及的设备设计、工艺瓶颈和质量监控等问题各不相同;具有高性价比或不可替代性的应用领域也各具特色。从制备角度考虑,首先,石墨烯的产业化需要进行全链条设计,即石墨烯制备路径需要和目标应用领域紧密结合,石墨烯应用研发也需要对石墨烯产品特性提出明确要求,制备与应用需要紧密互动。其次,尽管石墨烯材料的制备技术路径各具特色,但对产品标准和质量控制都有迫切需求。第三,尽管石墨烯材料目前在很多方面的应用仍然处于实验室研发阶段,一些以石墨烯材料为核心的应用,例如作为电极导电添加剂、防腐涂料有效成分、散热膜前驱体、触控屏和加热膜功能部件等方面已经实现规模化应用和销售。此外,这些应用领域的前景与挑战也在文中有所分析和评述。

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