發(fā)現(xiàn)石墨烯

　　石墨烯本身就存在于自然界中，把石墨烯一層層疊起來得到的就是石墨，我們?nèi)粘Ｊ褂玫你U筆，其主要組成就是石墨，厚1毫米的石墨大約包含300萬層石墨烯。當我們用鉛筆在紙上輕輕劃過時，留下的痕跡就可能是幾層石墨烯。

　　對石墨烯的研究最早可追溯至1840年，德國科學家Schafhaeutl聲稱：石墨的層間靠范德華力結(jié)合，此作用力較弱，因此石墨的層間可插入小分子的酸或堿金屬，制得石墨的層間復合物；1859年，英國化學家Brodie在Schafhaeutl研究基礎上用強酸及氧化物（KCl03）制備出了層狀結(jié)構更為疏松，且表面負載了官能團的氧化石墨；約1899年，Staudenmaier在氧化石墨制備過程中加入氯酸鹽，使得石墨分層變得更薄。1962年Boehm etal．及其合作者發(fā)現(xiàn)通過水合肼、硫化氫及二價鐵鹽對氧化石墨的加熱和化學還原分離可得到厚度為4.6A的碳的薄層。

　　直到2004年，英國曼徹斯特大學的兩位科學家安德烈·蓋姆（Andre Geim）和康斯坦丁·諾沃肖洛夫（Konstantin Novoselov）發(fā)現(xiàn)了一種非常簡單的方法得到越來越薄的石墨薄片。他們從高定向熱解石墨中剝離出石墨片，并將薄片的兩面粘在一種特殊膠帶上，撕開膠帶，就能把石墨片一分為二。不斷重復操作，薄片越來越薄，最后，他們得到了僅由一層碳原子構成的薄片——石墨烯，并共同獲得了2010年度諾貝爾物理學獎，有關石墨烯的研究至此進入全新階段。

　　神奇的石墨烯

　　石墨烯（Graphene）是一種以sp2雜化（即同一原子內(nèi)由一個ns軌道和一個np軌道發(fā)生的雜化）連接的碳原子緊密堆積成單層二維蜂窩狀晶格結(jié)構的新材料 ，具有優(yōu)異的光學、電學、力學特性，在材料學、微納加工、能源、生物醫(yī)學和藥物傳遞等方面具有重要應用前景，被認為是一種未來革命性材料。

　　享有“黑金”美譽的石墨烯是目前世界上最薄卻最堅硬的新型納米材料，幾乎完全透明，只吸收2.3%的光，導熱系數(shù)高于碳納米管和金剛石。常溫下，它的電子遷移率超過15000cm2/V·s，比納米碳管或硅晶體高，而電阻率比銅或銀低，是世上電阻率最小的材料。“黑金”不僅是對單層石墨烯制備成本的評估，更是對其發(fā)展前景的高度評價。目前，石墨烯常見的粉體制備方法為機械剝離法、氧化還原法、SiC外延生長法，化學氣相沉積法（CVD）。

　　石墨烯的產(chǎn)業(yè)意義

　　伴隨“中國制造2025”國家戰(zhàn)略出臺，石墨烯扶持力度持續(xù)加碼，國家、地方政府等運用各種手段合力助推石墨烯產(chǎn)業(yè)發(fā)展?！爸袊圃?025”石墨烯產(chǎn)業(yè)技術路線圖，明確了其產(chǎn)業(yè)化發(fā)展重點、方向和路徑，指出當前已解決相關產(chǎn)品制備技術成本高、產(chǎn)品不穩(wěn)定等問題，開發(fā)出了針對特定場合的多形態(tài)和特性石墨烯基材料的制備和結(jié)構調(diào)控技術。未來將重點突破以大規(guī)模、低成本、高質(zhì)量、品質(zhì)均一可控和多尺度為特征的石墨烯制備技術，大力發(fā)展石墨烯高精尖應用技術以及下游產(chǎn)品開發(fā)，不斷拓展石墨烯相關產(chǎn)品應用領域。

　　由此可見，石墨烯產(chǎn)業(yè)爆發(fā)式增長態(tài)勢已基本形成，對石墨烯技術的研究也從如何制備轉(zhuǎn)移至擴大應用。當前，一些具備石墨烯生產(chǎn)能力的公司還停留在應用試驗和研究階段，真正涉足高端應用領域者較少，且年產(chǎn)能大多不超過百噸級，高效、高質(zhì)量、低成本量產(chǎn)石墨烯成為石墨烯產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關鍵環(huán)節(jié)。

　　隨著國家政策扶持力度、資本投入加大以及先進制備技術的突破，預計未來5~10年，石墨烯產(chǎn)量有望突破年產(chǎn)能千噸級，甚至達到萬噸級。據(jù)國內(nèi)外各機構數(shù)據(jù)分析顯示，各行業(yè)對石墨烯需求量在不斷增加，近期主要集中在汽車、塑料、涂層、建筑、金屬、電池、航空以及能源和儲能領域，中長期來看主要集中在電子、光電及儲能領域，市場應用前景廣闊。

　　石墨烯的應用領域

　　01

　　能源領域

　　石墨烯由于比表面積較大、導電性能和物理性能優(yōu)異，可以用于制作超級電容器和太陽能電池同時，石墨烯優(yōu)異的電學性能和化學性能使其在電極材料和電池材料的制作中廣泛應用，使用石墨烯改進鋰離子電池的儲電性能是當前研究的熱門領域。此外，石墨烯還可以作為催化劑用于燃料電池，以及作為吸附劑用于儲氫材料的研制。

　　02

　　材料領域

　　由于石墨烯在光學、電學、力學、化學等各方面的優(yōu)異表現(xiàn)，石墨烯可以用于很多種材料的制作或改良，例如制作半導體器件、顯示器、超高性能的芯片、高分子復合材料、導電涂料以及電池電極材料。此外，石墨烯復合材料也是當前研究的熱門領域．以石墨烯為基礎的各種復合材料在不同方面對其性能進行了改良，因而具有更加廣泛的應用前景。

　　03

　　環(huán)境領域

　　在環(huán)境領域，一方面石墨烯作為一種相對環(huán)保的材料可以直接替代那些污染較重的材料，減少環(huán)境污染尤其是石墨烯作為新型材料在能源領域的應用，既可以提高能源的利用效率，又可以代替某些高污染的材料，對節(jié)能減排具有重要貢獻。同時，其在環(huán)境污染治理和檢測方面也有重要應用，經(jīng)過改性的石墨烯材料具有良好的吸附性能和催化性能，已被用于海水淡化和污水處理。

　　04

　　生物醫(yī)藥

　　生物醫(yī)藥領域由于具有超高的比表面積和表面活性，經(jīng)過表面修飾的石墨烯可作為有效的藥物載體進行藥物輸送，在提高載藥量的同時實現(xiàn)靶向輸送和藥物的控釋或緩釋，從而提高療效。這在抗癌藥物和基因治療藥物的靶向運輸中具有很好的應用前景。同時，石墨烯納米材料具有明顯的抗菌效果和良好的生物相容性，可用于抗菌材料的研制或作為抗菌物質(zhì) 的載體。此外，穩(wěn)定的化學性能和獨特的光學性能使石墨烯在生物成像和疾病診斷方面也具有優(yōu)異的表現(xiàn)。

　　未來石墨烯產(chǎn)業(yè)的發(fā)展

　　未來，科研人員尋求高性能石墨烯的低成本制備技術，運用科技創(chuàng)新力量，加強產(chǎn)業(yè)鏈延伸，探索石墨烯制備基礎研究及產(chǎn)業(yè)化應用。目前相信在不久的將來，石墨烯材料的產(chǎn)品可以走進千家萬戶，為我們帶來更好的生活體驗。

　　編輯：黃飛