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石墨烯材料的宏量制備和產業化應用

 墨烯被定義為由碳六元環結構單元在二維平面內有序排列構成的二維晶體。早在石墨烯材料受到廣泛關注之前,H. P. Boehm(1959)和R. S. Ruoff(1996)等研究組就利用氧化石墨和石墨微片作為原料獲得了單層和少層石墨片(現在被稱為‘化學改性石墨烯’和‘少層石墨烯’等)。2004年,曼徹斯特大學Geim和Novoselov利用透明膠帶從高定向熱解石墨中剝離出高質量單層石墨烯,并對其物理性質進行了研究。自此,石墨烯的諸多獨特物理性質逐漸被實驗驗證,包括高電子遷移率、高熱導率、高強度、高阻隔性等。石墨烯的這些性質引起了人們的廣泛興趣,催生了石墨烯及相關材料的制備及在物理、化學、材料、生物等多個領域的應用研究和功能展示,也直接推動了以二硫化鉬(A. K. Geim, 2005)等為代表的二維材料體系研究。石墨烯相關的研究成果激發了工業界的極大熱情,產業化進程方興未艾。其中,石墨烯的宏量制備和產品應用是目前石墨烯產業化進程中的兩大核心問題。

基于石墨烯研究開發現狀,中國科學技術大學朱彥武教授和季恒星教授聯合中國科學院金屬研究所和清華-伯克利深圳學院的成會明研究員、韓國蔚山國立科技大學Rodney S. Ruoff教授,對當前石墨烯產業化中主流的宏量制備技術、應用領域和市場上已出現的若干石墨烯產品進行了綜述,近期以“Mass Production and Industrial Applications of Graphene Materials”為題發表于《國家科學評論》(National Science Review, 2017, https://doi.org/10.1093/nsr/nwx055)。

文章指出,盡管單層石墨結構被普遍用于定義石墨烯,但通過不同制備技術得到的石墨烯材料卻形式多樣、性質有別?;蛋敕?、氧化還原法和化學氣相沉積法是目前石墨烯產業化中采用的代表性制備技術路徑,分別生產出石墨烯漿料、石墨烯粉體和石墨烯薄膜等主體材料。這些石墨烯材料的宏觀形態和微觀結構、主要物理和化學性質都有明顯差異;規模制備中涉及的設備設計、工藝瓶頸和質量監控等問題各不相同;具有高性價比或不可替代性的應用領域也各具特色。從制備角度考慮,首先,石墨烯的產業化需要進行全鏈條設計,即石墨烯制備路徑需要和目標應用領域緊密結合,石墨烯應用研發也需要對石墨烯產品特性提出明確要求,制備與應用需要緊密互動。其次,盡管石墨烯材料的制備技術路徑各具特色,但對產品標準和質量控制都有迫切需求。第三,盡管石墨烯材料目前在很多方面的應用仍然處于實驗室研發階段,一些以石墨烯材料為核心的應用,例如作為電極導電添加劑、防腐涂料有效成分、散熱膜前驅體、觸控屏和加熱膜功能部件等方面已經實現規?;τ煤拖?。此外,這些應用領域的前景與挑戰也在文中有所分析和評述。

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