黨民團(tuán)，麻小強(qiáng)

(1.渭南師范學(xué)院 化學(xué)與材料學(xué)院，陜西 渭南 714099；2.陜西省煤基低碳醇工程研究中心，陜西 渭南 714099)

【現(xiàn)代應(yīng)用技術(shù)研究】

石墨烯合成及應(yīng)用研究進(jìn)展

黨民團(tuán)1，2，麻小強(qiáng)1，2

(1.渭南師范學(xué)院 化學(xué)與材料學(xué)院，陜西 渭南 714099；2.陜西省煤基低碳醇工程研究中心，陜西 渭南 714099)

石墨烯具有特殊的化學(xué)結(jié)構(gòu)及卓越的力、熱、光、電等物理性能，在材料、電子器件、新能源等新興產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域有著巨大的應(yīng)用前景，其制備及應(yīng)用均取得了令人鼓舞的研究進(jìn)展。在簡要綜述石墨烯的結(jié)構(gòu)與特異性能的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)綜述了近年來石墨烯制備、應(yīng)用研究及產(chǎn)業(yè)化的新進(jìn)展，比較并分析了剝離法、化學(xué)氣相沉積法、外延生長法、溶劑熱法等現(xiàn)階段幾種主要石墨烯制備方法的特點(diǎn)，提出了未來我國石墨烯產(chǎn)業(yè)的發(fā)展建議。

石墨烯；制備；應(yīng)用；進(jìn)展

2004年，英國物理學(xué)家Geim、 Novoseiov等首次成功采用機(jī)械剝離法從石墨中制得石墨烯，顛覆了物理學(xué)界“二維原子晶體不可能在有限溫度下穩(wěn)定存在”的傳統(tǒng)思維定式，震撼了凝聚態(tài)物理界。石墨烯特殊穩(wěn)定的二維結(jié)構(gòu)和獨(dú)特的力學(xué)、電學(xué)、光學(xué)、熱學(xué)等理化性能迅速成為全球物理、化學(xué)、材料等眾多學(xué)科研究者高度關(guān)注的熱點(diǎn)前沿研究領(lǐng)域[1]。石墨烯結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、比表面大、導(dǎo)電性強(qiáng)、強(qiáng)度及韌性高；石墨烯可塑性極大，可包裹成零維度的富勒烯，亦可卷曲成一維的碳納米管或堆垛成三維石墨，是構(gòu)建其他維數(shù)碳材料的基本單元。故被歐盟、美國等西方發(fā)達(dá)國家視為新興戰(zhàn)略性材料，投入大量人力、物力和財(cái)力搶占這一戰(zhàn)略高地。歷經(jīng)10余年的研究，石墨烯的制備及其在能源、信息、材料等領(lǐng)域的研究均取得了令人鼓舞的研究進(jìn)展，預(yù)示了其廣闊的發(fā)展前景[2]。

1 石墨烯概述

1.1 石墨烯的結(jié)構(gòu)

圖1 石墨烯分子結(jié)構(gòu)示意圖

石墨烯是由單層碳原子以sp2雜化形式成鍵形成的具有蜂窩狀六邊形結(jié)構(gòu)的二維原子晶體，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

在石墨烯內(nèi)，各碳原子間通過σ鍵相連，鍵角為120°,鍵長約為0.142 nm,這些σ鍵賦予了石墨烯極其優(yōu)異的力學(xué)性質(zhì)和結(jié)構(gòu)剛性；每個碳原子的一個未成鍵P電子形成了與晶體平面垂直、遍及晶體的大П鍵，賦予了石墨烯良好的導(dǎo)電性[2-3]。

石墨烯是二維碳材料的統(tǒng)稱。據(jù)六角形蜂巢結(jié)構(gòu)的層數(shù)，石墨烯分為單層石墨烯、雙層石墨烯、少層石墨烯(3～10層)及多層或厚層石墨烯(厚度在10層以上、10 nm以下)。單層石墨烯的厚度為0.35 nm，是目前已知最輕薄的材料。

1.2 石墨烯的性質(zhì)

石墨烯的特殊化學(xué)結(jié)構(gòu)使之具有區(qū)別于常規(guī)材料的特異理化性能，在以下幾方面表現(xiàn)得尤為突出。

(1)強(qiáng)導(dǎo)電性。石墨烯能隙為0,是目前已知最好的導(dǎo)電性材料[4]。由于它的二維平面結(jié)構(gòu)，使在晶格中移動的電子不會發(fā)生散射。同時，組成石墨烯的各碳原子間存在極強(qiáng)的相互作用力，使得電子在運(yùn)動的過程中幾乎很難被其他因素所影響，電導(dǎo)率可達(dá)106S/m，比銅或銀更低，常溫下其電子遷移率超過150 00 cm2/(V·s)，具有超強(qiáng)導(dǎo)電性[4]。

(2)超強(qiáng)硬度與韌性。石墨烯是迄今為止世界上已知韌性最好、最堅(jiān)硬的材料[5]，其硬度比以硬著稱的金剛石(莫氏硬度為10)還要高許多；它的韌性極好，斷裂強(qiáng)度比最好的鋼材還要高200倍，同時它又有很好的彈性，其抗拉強(qiáng)度為125 GPa，旨性模量為1.1 TPa。

(3)超大比表面積。單層石墨烯的厚度只有0.35 nm(一個碳原子厚)，由于其納米級的超薄厚度，具有超大的比表面積,在理想狀態(tài)下，單層石墨烯的比表面積可達(dá)2 630 m2/g之多，遠(yuǎn)高于同等條件下活性炭的比表面，具有良好的吸附性能。因此，石墨烯可用作氣體儲存材料，石墨烯與鋰形成的多孔復(fù)合材料具有極強(qiáng)的儲氫能力；用石墨烯制作的微傳感器可探測單個原子或分子，可以用于制作高靈敏度的氣體傳感器。

(4)特異的導(dǎo)熱性。 石墨烯穩(wěn)定的晶體結(jié)構(gòu)使得它具有非常好的導(dǎo)熱性能，有關(guān)實(shí)驗(yàn)測得，單層石墨烯的室溫導(dǎo)熱率為5 300 W/(m·K)，禁帶寬度幾乎為0，遠(yuǎn)高于室溫下金屬銅的熱導(dǎo)率400 W/(m·K)，也遠(yuǎn)優(yōu)于碳納米管和金剛石。與普通金屬材料熱脹冷縮的性質(zhì)不同，石墨烯的熱導(dǎo)率隨溫度的升高而降低。

(5)高透光率。單層石墨烯對可見光的吸收率約為2.3%[6]，97.7%的可見光能從中穿透，其對可見光幾乎是完全透明的。隨著層數(shù)增加，可見光透過率按2.3%遞減。石墨烯優(yōu)良的光學(xué)性能決定了其在光學(xué)相關(guān)領(lǐng)域的潛在應(yīng)用前景，石墨烯透明導(dǎo)電薄膜可制作敏化太陽能電池或液晶設(shè)備的窗口層電極；石墨烯表面經(jīng)過改性后可作為電子受體應(yīng)用于有機(jī)光電器件和超級電容器電極等。

2 石墨烯的制備方法

2.1 剝離法

剝離法是一種通過對堆積的石墨進(jìn)行反復(fù)剝離從而獲得石墨烯的一種方法。[7]主要包括機(jī)械剝離、熱膨脹剝離、電化學(xué)剝離和溶液剝離等。[8]其中最常用的是微機(jī)械剝離法，也是最早制備石墨烯的方法，該剝離方法主要是在新鮮石墨晶體的表面使用機(jī)械力進(jìn)行剝離得到石墨烯片層，然后將其轉(zhuǎn)移到載體表面進(jìn)而獲得石墨烯。Novoselov等人[9]于2004年通過透明膠帶對高定向熱解石墨進(jìn)行反復(fù)剝離的方法，首次將石墨烯制備出來，填補(bǔ)了碳材料在二維晶體方面的空白，證實(shí)了石墨烯晶體能夠單獨(dú)存在的可能性。剝離法制備石墨烯的制備工藝操作簡單，成本低廉，所得產(chǎn)品晶體結(jié)構(gòu)完整，是一種簡便經(jīng)濟(jì)的制備方法，對石墨烯的研究起到了極大的推動作用。但此法所制石墨烯產(chǎn)物層數(shù)與尺寸不可控、產(chǎn)率低，從而限制了該制備方法的廣泛應(yīng)用，僅被用于實(shí)驗(yàn)室研究。

2.2 印章切取轉(zhuǎn)移印制法

此方法是在高壓及高溫的條件下，給印章的凸起處涂一層“轉(zhuǎn)換層”(可將樹脂類材料通過旋轉(zhuǎn)涂布法均勻涂于印章表面)，然后將涂有轉(zhuǎn)換層的印章按壓在石墨上，通過按壓使其在印章邊緣產(chǎn)生極大的剪應(yīng)力，最后運(yùn)用這種剪應(yīng)力在石墨層上將石墨烯分離下來。而將石墨烯從印章轉(zhuǎn)移到器件上的方法與上述過程基本類似，亦需要涂一層“固定層”，經(jīng)過與之前相似的操作過程從印章上把石墨烯剝離下來。此方法的優(yōu)勢是操作過程較為簡單，但同時也存在難以制備出單層石墨烯這一缺陷，Stephen等人[10]通過這種方法制備出了厚度大約為1.3 mm的4層石墨烯。

2.3 化學(xué)氣相沉積法

化學(xué)氣相沉積法(CVD)是一種在相對而言比較高的溫度下，通過化學(xué)反應(yīng)對含碳化合物進(jìn)行分解，然后使得石墨烯在基片上生長出來的技術(shù)。通常是在基底的表面形成一種過渡金屬(如Cu、Co、Pt、Ir、Ru及Ni等)薄膜，以此薄膜作為催化劑，然后用CH4作為碳源，用氣相解離的方法解離過渡金屬薄膜，使得石墨烯片層在過渡金屬薄膜表面逐步形成，最后采用強(qiáng)腐蝕性的酸性溶液對金屬膜進(jìn)行處理，進(jìn)而制備出石墨烯。此法可以制備出大面積、高質(zhì)量、理學(xué)性能良好的石墨烯片，是最有可能實(shí)現(xiàn)工業(yè)化的制備方法，但降低成本、完善工藝條件是其實(shí)現(xiàn)規(guī)?；I(yè)生產(chǎn)需要解決的關(guān)鍵問題。

2.4 氧化—還原法

該方法是將石墨用強(qiáng)氧化劑氧化，—C=O、—C-OH及—COOH等含氧基團(tuán)被插入石墨間層，增加其間距而成為石墨氧化物，然后用熱力學(xué)膨脹或超聲分散制得氧化石墨烯，再通過化學(xué)還原或熱還原法將剝離后的氧化石墨烯還原為石墨烯[11]。這是一種成本較低、工藝簡單的石墨烯制備方法，有較強(qiáng)的可重復(fù)性和較高的生產(chǎn)率，是很有希望成為工業(yè)化制備石墨烯的路徑之一。但氧化—還原法制得的石墨烯常存在-OH基團(tuán)的結(jié)構(gòu)缺陷或拓?fù)淙毕輰?dǎo)致其透明性及部分電學(xué)性能的損失，使石墨烯的應(yīng)用受到限制。

2.5 外延生長法

外延生長法是一種在單晶襯底上制備單晶石墨烯的方法。其基本原理是對碳化硅進(jìn)行高溫處理，將碳化硅中的硅原子蒸發(fā)后，使剩下來的碳原子通過發(fā)生結(jié)構(gòu)重排，進(jìn)而形成石墨烯。具體步驟是首先用H2或O2下對碳化硅樣品進(jìn)行刻蝕處理，然后在真空下用電子轟擊加熱去除氧化物，再將樣品溫度加熱到1 250℃至1 450℃并保溫20 min，進(jìn)而制備出較薄的石墨層[12]。該法制備的石墨烯分為生長在硅表面和碳表面兩種，二者在導(dǎo)電性方面存在較大差異。外延生長法制備出的石墨烯具有大面積、高質(zhì)量、高效率以及加工性能優(yōu)等優(yōu)點(diǎn)，但該制備方法往往也存在制備條件嚴(yán)苛、難以從襯底上分離石墨烯等缺陷，同時制備出的石墨烯層數(shù)也不可控，原料較為昂貴，相關(guān)技術(shù)還不夠純熟，所以要用于石墨烯的大量制造還有諸多困難，相關(guān)技術(shù)有待進(jìn)一步完善和發(fā)展。

2.6 溶劑熱法

溶劑熱法是在媒介的臨界溫度下進(jìn)行物質(zhì)制備合成的一種有效方法。制備石墨烯時，將膨脹的石墨等反應(yīng)物加入到乙醇、乙腈等有機(jī)溶劑(該溶劑必須能在高于臨界溫度和壓力的情況下溶解大多數(shù)物質(zhì))，然后將其置于密閉的高壓釜中加熱到臨界溫度后，利用系統(tǒng)自身產(chǎn)生的高壓制備出石墨烯[13]。溶劑熱法是可用來規(guī)模制備高品質(zhì)、無污染的石墨烯，但其較低的產(chǎn)率阻礙了其進(jìn)一步的發(fā)展，探索此法與其他方法的結(jié)合有望使這一方法取得突破。

3 石墨烯的應(yīng)用

石墨烯的應(yīng)用從其首次被成功剝離制備以來就備受各界關(guān)注。相較于其他材料而言，特異的力、熱、光、電性能和穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)，使其在材料、能源、信息、現(xiàn)代裝備制造等各個領(lǐng)域的應(yīng)用研究均取得了卓有成效的成果。

3.1 石墨烯在電化學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用

3.1.1 制備金屬離子檢測電極

石墨烯超高的比表面積可以使金屬離子產(chǎn)生富集作用并提高金屬離子的伏安法溶出靈敏度，運(yùn)用這一特點(diǎn)人們經(jīng)常用石墨烯電極對無機(jī)金屬離子進(jìn)行相關(guān)檢測[14]。檢測電極的制備是先將石墨烯加入到Nafion溶液中將二者進(jìn)行混合，形成混合溶液，進(jìn)而滴涂該混合液于玻碳電極的表面，制成Nafion-石墨烯復(fù)合材料修飾電極,最后用該復(fù)合電極對無機(jī)廢金屬離子進(jìn)行檢測。澳大利亞伍倫大學(xué)的Li等人就曾成功地利用Nafion-石墨烯復(fù)合材料修飾電極完成了對重金屬離子Cd2+和Pb2+的檢測，對Cd2+、Pb2+線性檢測范圍分別為1.5～30 ug/L和0.5～50 ug/L。此前，美國NASA開發(fā)出應(yīng)用于航天領(lǐng)域的石墨烯傳感器，就能很好地對地球高空大氣層的微量元素、航天器上的結(jié)構(gòu)性缺陷等進(jìn)行檢測。

3.1.2 在生物傳感器中的應(yīng)用

石墨烯導(dǎo)電性能非常好，制備成本相較于其他材料而言十分低，極具規(guī)?；a(chǎn)的相關(guān)條件。因此，出現(xiàn)了很多以石墨烯修飾電極為基底的生物傳感器和生物裝置，并在生物物質(zhì)的檢測中應(yīng)用廣泛，如應(yīng)用于DNA和蛋白質(zhì)的檢測[15]，谷胱甘肽、NADH及葡萄糖等的檢測。

3.2 石墨烯在能源領(lǐng)域的應(yīng)用

3.2.1 太陽能電池

在寬波長范圍內(nèi)，石墨烯具有較好的透光率和極高的載流子遷移率，因而有望代替各方面條件相對較差的氧化因ss錫在太陽能電池領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。石墨烯在太陽能電池領(lǐng)域的應(yīng)用主要體現(xiàn)在做受體材料[16]、代替ITO電極等幾個方面。Tongxiang Cui等人分別在溫度為400℃、600℃、800℃、1 000℃的條件下，成功地應(yīng)用化學(xué)氣相沉積法制備出了無定型硅和碳及多層石墨烯混合膜和石墨烯膜，并將制備出來的膜與供體硅材料相結(jié)合，進(jìn)而制備出轉(zhuǎn)化率可達(dá)5.86%的太陽能電池。陳永勝通過向二氯苯中分散有機(jī)溶劑來處理石墨烯，并將處理過的石墨烯與聚3-辛基噻吩(P3OT)受體材料旋涂，從而制備出效率在120℃退火溫度下可達(dá)1.4%的太陽能電池。同時，位于美國佛羅里達(dá)州大學(xué)物理系的研究小組[17]，利用石墨烯與三氟甲磺胺進(jìn)行摻雜制備出了效率可達(dá)8.6%的太陽能電池。

3.2.2 超級電容器

超級電容器(又稱“電化學(xué)/雙層電容器”)是一種靠極化電解液來儲存電能的新型儲能裝置，它的電荷傳輸距離短，電極有較大的接觸面積，故其電荷儲存能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)強(qiáng)于傳統(tǒng)的電容器。石墨烯的比表面積大、導(dǎo)電性能好，有較為穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)，其片間形成的微孔結(jié)構(gòu)有利于電解液滲透和傳輸，是做超級電容器電極的理想材料。相關(guān)研究指出，石墨烯的快速沖、放電特性在電化學(xué)掃描速率高達(dá)250 mV/s的情況下仍可試用。這一優(yōu)異的性能使得石墨烯及其復(fù)合材料在超級電容器領(lǐng)域一直都是各國科研機(jī)構(gòu)爭相研究的對象，備受追捧。早在2012年4月，美國加州大學(xué)就通過DVD刻錄機(jī)制造出了充放電速度為普通電池100～1 000倍的微型超級電容器，利用這種充電器對手機(jī)或汽車充電只需數(shù)秒，十分迅速[18]。

3.3 石墨烯在復(fù)合材料領(lǐng)域的應(yīng)用

石墨烯比碳納米管的比表面積大、生產(chǎn)成本低、理化性能優(yōu)異，將其與特定的聚合物復(fù)合形成的復(fù)合材料性能會得到很大優(yōu)化，其機(jī)械性能和導(dǎo)電性能遠(yuǎn)優(yōu)于單純的高分子材料[19]。在塑料里摻入1%的石墨烯，就能使塑料具備良好的導(dǎo)電性；加入1‰的石墨烯，能使塑料的抗熱性能提高30℃。在此基礎(chǔ)上可以研制出薄、輕、拉伸性好和超強(qiáng)韌性新型材料，用于制造汽車、飛機(jī)和衛(wèi)星等?？梢灶A(yù)計(jì)，負(fù)載了功能納米粒子的石墨烯能夠更好地應(yīng)用到催化、生物醫(yī)藥、傳感器、超級電容器等領(lǐng)域。

3.4 石墨烯觸摸屏

石墨烯的高透光和高電子遷移率，以及超薄和可折疊等特性，使得石墨烯在高端電子信息領(lǐng)域也有廣泛應(yīng)用，這其中之一便是作為觸摸屏的透明電極材料。由石墨烯制成的觸摸屏，畫面純凈，觸控靈敏，色彩真實(shí)，并且合成石墨烯觸摸屏的過程對環(huán)境沒有損害，對資源的消耗不大，生產(chǎn)成本不高，有望規(guī)模化應(yīng)用。石墨烯薄膜在作為手機(jī)觸摸屏方面頗有收獲，我國中科院重慶研究院實(shí)驗(yàn)室早在2013年就成功地研發(fā)出了7英寸石墨烯觸摸屏。韓國三星公司的研究人員也已制造出由多層石墨烯等材料組成的透明可彎曲的顯示屏，相信大規(guī)模商用指日可待。

3.5 光子傳感器

石墨烯亦可對光纖維中攜帶的信息進(jìn)行檢測。國際商業(yè)及其公司的研究小組早于2010年10月就將自家研制出的石墨烯光電探測器進(jìn)行了展示。此外，法國CNR機(jī)構(gòu)的相關(guān)研究人員及英國劍橋大學(xué)在光子傳感器領(lǐng)域已取得了相關(guān)進(jìn)展，陸續(xù)地制造出了超快鎖膜石墨烯激光器，預(yù)示著在不久的將來，石墨烯在光電器件領(lǐng)域大有可為，有極大的發(fā)展空間。

4 石墨烯的產(chǎn)業(yè)化現(xiàn)狀

石墨烯性能優(yōu)異，其在能源、信息、材料、生命科學(xué)等領(lǐng)域的應(yīng)用研究進(jìn)展預(yù)示了其廣闊的市場空間和發(fā)展前景，引起了世界各國的高度關(guān)注，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。

石墨烯自成功問世，其不可估量的應(yīng)用前景使關(guān)于它的相關(guān)研究和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展在世界各國不斷升溫。美國、歐盟、韓國、日本等國家都陸續(xù)開展了系列相關(guān)研究計(jì)劃和項(xiàng)目。

美國在石墨烯科研方面的發(fā)展與產(chǎn)業(yè)化方面發(fā)展并駕齊驅(qū)。其對石墨烯研究的投入十分高昂，僅在2006—2012年期間，美國的自然科學(xué)基金會(NSF)就投資了200多個相關(guān)項(xiàng)目。此外，美國國防部高級研究計(jì)劃署從2008年開始就計(jì)劃向碳電子射屏應(yīng)用項(xiàng)目投入2 200萬美元，進(jìn)行研發(fā)高速、低能的石墨烯基射頻。美國良好的創(chuàng)業(yè)環(huán)境對石墨烯產(chǎn)業(yè)化的進(jìn)程有著積極的影響，諸如波音公司、英特爾公司和國際商業(yè)機(jī)器公司(IBM)等大型企業(yè)對石墨烯的相關(guān)研發(fā)投入巨大。

歐盟有著和美國相同的發(fā)展思路，也在努力謀求學(xué)術(shù)和產(chǎn)業(yè)化的齊頭并進(jìn)。歐盟還設(shè)有石墨烯的專項(xiàng)研發(fā)計(jì)劃，對石墨烯的相關(guān)投入經(jīng)費(fèi)居世界前列。截至2011年就支出了約1.5億歐元的高額經(jīng)費(fèi)。歐盟現(xiàn)今約有55家石墨烯產(chǎn)業(yè)化及研發(fā)企業(yè)，政府和許多工業(yè)巨頭企業(yè)在相關(guān)方面投入巨大。與此同時，石墨烯還于2013年1月被列入“未來新興技術(shù)旗艦項(xiàng)目”，旨在逐步將石墨烯從面向小眾的實(shí)驗(yàn)室?guī)蛎嫦虼蟊姷纳鐣?/p>

日本政府對石墨烯的重視絲毫不遜于其他國家，在各方面的相關(guān)投入也十分可觀。早在2007年，日本東京大學(xué)就受到了科學(xué)技術(shù)振興機(jī)構(gòu)的資助，致力于開發(fā)石墨烯硅材料/器件。同時，為了進(jìn)一步發(fā)展日本石墨烯和碳納米管的批量合成技術(shù)，日本經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省于2011年就開始開展高輕度創(chuàng)新材料融合項(xiàng)目。此外，索尼、東芝、日立等日本老牌優(yōu)秀企業(yè)也在石墨烯的應(yīng)用研發(fā)方面投入了大量資金，并取得了豐碩的成果。2012年，日本索尼公司研發(fā)出了石墨烯化學(xué)氣相生長技術(shù)，該技術(shù)可以生成長達(dá)120 m石墨烯透明薄膜。

韓國的石墨烯相關(guān)研究和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展勢頭迅猛。僅在2007—2009年期間，韓國政府就支出了金額高達(dá)1 870萬美元的經(jīng)費(fèi)資助了超過90多項(xiàng)的石墨烯相關(guān)研究。并計(jì)劃在2012—2018年期間，繼續(xù)投入2.5億美元。同時韓國對專利保護(hù)十分重視，石墨烯的專利量僅次于中國和美國。目前，僅在企業(yè)界石墨烯專利數(shù)量上，韓國的三星公司穩(wěn)居世界首位。同時該公司分別于2011年和2014年研發(fā)出了40英寸的石墨烯觸摸屏面板和能更大尺度保持導(dǎo)電性的石墨烯晶體。

中國石墨烯的相關(guān)研發(fā)和應(yīng)用較大多數(shù)發(fā)達(dá)國家而言，起步雖晚，但發(fā)展快而強(qiáng)勁。經(jīng)過政府和各界的不斷努力，產(chǎn)業(yè)勢頭發(fā)展良好。從2011年首家石墨烯企業(yè)成立，到2015年底企業(yè)數(shù)達(dá)100余家，其發(fā)展速度十分迅猛。同時，政府有關(guān)部門高度重視石墨烯產(chǎn)業(yè)及研究工作，于2013年將其作為新材料產(chǎn)業(yè)之一列入了“十二五”發(fā)展規(guī)劃。此外，國家重大專項(xiàng)、國家自然基金委、973計(jì)劃也陸續(xù)部署了一批與石墨烯相關(guān)的重大研究計(jì)劃和項(xiàng)目，成果斐然[20-21]。

中國在石墨烯研究制造領(lǐng)域已經(jīng)取得了很大的進(jìn)展，涌現(xiàn)出了一批擁有技術(shù)專利與應(yīng)用成果的優(yōu)秀企業(yè)，產(chǎn)業(yè)發(fā)展的方向集中在石墨烯的制備、儲能等領(lǐng)域。2013年7月，石墨烯產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟在首都北京正式成立，建立了上下游協(xié)同、產(chǎn)學(xué)研信息等資源共享機(jī)制，使中國石墨烯產(chǎn)業(yè)鏈的整體競爭力得以提升[22-23]。

在2013年底，寧波墨西科技有限公司和重慶墨?？萍加邢薰鞠群蠼ǔ赡戤a(chǎn)3×105kg石墨烯生產(chǎn)線和年產(chǎn)100萬平方米生產(chǎn)能力的石墨烯薄膜生產(chǎn)線，并將石墨烯的制造成本從每克5 000元降至每克3元。

2015年3月，由中國科學(xué)院重慶綠色智能技術(shù)研究院和中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所開發(fā)的全球首批石墨烯手機(jī)在重慶實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)并上市銷售，該款手機(jī)采用了最新研制的石墨烯觸摸屏、電池和導(dǎo)熱膜[24]。

近日 ，東旭光電在北京正式宣布推出首款石墨烯基鋰離子電池產(chǎn)品——“烯王”。該產(chǎn)品所使用的石墨烯基鋰離子電池性能十分優(yōu)良，與普通電池相比不僅可在滿足5 C條件下，實(shí)現(xiàn)15 min內(nèi)快速充放電，而且該石墨烯基鋰離子電池可在-30℃～80℃環(huán)境下工作，循環(huán)壽命更高達(dá)3 500次左右。

中國石墨烯產(chǎn)業(yè)化目前已走在了世界前列，未來發(fā)展前景不可估量。

5 結(jié)語

石墨烯獨(dú)特的結(jié)構(gòu)、優(yōu)異的理化性能、巨大而廣泛的應(yīng)用前景使之成為全球矚目的未來新興戰(zhàn)略性材料，越來越引起材料、化學(xué)、物理等眾多領(lǐng)域研究人員的廣泛關(guān)注并成為現(xiàn)階段的熱點(diǎn)研究領(lǐng)域。自石墨烯問世的十余年間，其制備方法不斷推陳出新，應(yīng)用領(lǐng)域持續(xù)拓展，人們對高品質(zhì)、低成本石墨烯材料的需求日益劇增。然而其大規(guī)模、低成本、無污染的綠色制備工藝仍未取得突破；目前技術(shù)制得的石墨烯產(chǎn)品存在尺度小且分布不均勻、比表面遠(yuǎn)低于理論值、性能難以精確控制等問題，滿足不了各應(yīng)用領(lǐng)域的特殊需求，嚴(yán)重制約著石墨烯優(yōu)異性能的充分體現(xiàn)和產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。因此，探索制備大尺度、層數(shù)和性能可控、綠色環(huán)保的石墨烯制備工藝和精確表征技術(shù)仍是近期研究的重點(diǎn)和當(dāng)務(wù)之急。

盡管存在基礎(chǔ)研究的突破、市場需求、政府政策以及資金與技術(shù)等多種復(fù)雜因素的影響，石墨烯的大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化不可能一蹴而就，但石墨烯的廣闊應(yīng)用前景和市場空間是毋庸置疑的。我國石墨資源豐富，目前石墨烯產(chǎn)業(yè)綜合實(shí)力僅次于美國和日本，具備發(fā)展優(yōu)勢。我們期望，國家政府部門進(jìn)一步強(qiáng)化對石墨烯研究和產(chǎn)業(yè)開發(fā)的支持力度，有關(guān)科研院所和企業(yè)通力合作、不懈努力，著力石墨烯制備、應(yīng)用技術(shù)的研發(fā)，有效發(fā)揮石墨烯的高附加值特性，降低應(yīng)用成本，實(shí)現(xiàn)二維石墨烯新材料的商業(yè)化應(yīng)用，推動這一新興產(chǎn)業(yè)的壯大、發(fā)展，保持我國在這一戰(zhàn)略新興領(lǐng)域的研發(fā)優(yōu)勢，促進(jìn)我國材料產(chǎn)業(yè)的升級換代并為人類的現(xiàn)代文明帶來福音。

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【責(zé)任編輯 馬小俠】

Research Progress of Graphite Synthesis and Application of Technology

DANG Min-tuan1，2, MA Xiao-qiang1，2

(1. School of Chemistry and Materials Science, Weinan Normal University, Weinan 714099, China;2. Coal Based Higher Alcohol Engineering Research Center of Shaanxi Province ,Weinan 714099，China)

Graphite is a new important material because of its special chemical structure and excellent physical properties, which indicates its wide application prospects. The structure and properties of graphite are reviewed briefly, its preparation methods are summarized and compared, and some future development suggestions of graphite in our country are provided.

graphite; preparation; application; progress

TB383

A

1009-5128(2017)04-0016-06

2016-07-08

陜西省教育廳專項(xiàng)科研計(jì)劃項(xiàng)目：微孔聚苯胺/石墨烯納米復(fù)合材料對有害氣體相應(yīng)行的研究(14JK1257)；渭南師范學(xué)院特色學(xué)科建設(shè)項(xiàng)目：秦東化工、材料技術(shù)調(diào)查(14TSXK04)

黨民團(tuán)(1962—)，男，陜西富平人，渭南師范學(xué)院化學(xué)與材料學(xué)院教授，主要從事化學(xué)教學(xué)及化學(xué)、材料方面的研究。