石墨烯是近年來(lái)最熱的新材料之一，因?yàn)榫哂泻芎玫膶?dǎo)電、導(dǎo)熱性，強(qiáng)度高，比表面積大，石墨烯預(yù)期在計(jì)算機(jī)芯片、電子材料、導(dǎo)熱材料、高性能復(fù)合材料、環(huán)境處理、催化劑載體等諸多領(lǐng)域具有潛在應(yīng)用。

什么是石墨烯？其實(shí)，將石墨的層狀結(jié)構(gòu)無(wú)限剝離，直到原子級(jí)厚度，該薄層碳材料的性質(zhì)與原來(lái)的石墨有極大的不同，該薄層碳材料就是石墨烯。2004年，英國(guó)曼徹斯特大學(xué)物理學(xué)家安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫成功地從石墨中剝離出石墨烯，并表征了它的性質(zhì)，兩人也因“在二維石墨烯材料的開(kāi)創(chuàng)性實(shí)驗(yàn)”，共同獲得2010年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

石墨烯的制備主要有微機(jī)械分離法、氣相合成法、化學(xué)氧化還原法以及液相剝離法等。安德烈·海姆是用膠帶從石墨上剝下少量單層石墨烯片。該法雖然可以獲得質(zhì)量較好的單層和雙層石墨烯，能部分滿足實(shí)驗(yàn)室的研究需要，但產(chǎn)量和效率過(guò)低。

目前，通過(guò)化學(xué)氣相沉積法在絕緣表面或金屬表面生長(zhǎng)石墨烯，是制備高質(zhì)量石墨烯薄膜的重要手段，其所用的原料多為甲烷等低碳烯烴。這種方法能夠生長(zhǎng)出大面積、高質(zhì)量的石墨烯膜，但是條件比較苛刻，過(guò)程比較復(fù)雜，轉(zhuǎn)移較困難。而通過(guò)有機(jī)合成法可以制備具有確定結(jié)構(gòu)而且無(wú)缺陷的石墨烯納米帶，并可以進(jìn)一步對(duì)石墨烯納米帶進(jìn)行功能化修飾。

科學(xué)家還可以從碳納米管出發(fā)制備石墨烯。利用硫酸和氧化劑使多壁碳納米管開(kāi)鏈制備石墨烯納米帶，石墨烯帶的寬度取決于碳納米管的直徑，然后用肼還原可恢復(fù)其電學(xué)性能。該石墨烯帶可用作導(dǎo)電或半導(dǎo)體薄膜，有望成為光伏單晶硅的廉價(jià)替代物。

現(xiàn)在最易工業(yè)化制作石墨烯的一種工藝是氧化還原法。先將石墨粉分散在強(qiáng)氧化性混合酸中，例如濃硝酸和濃硫酸，然后加入高錳酸鉀或氯酸鉀等強(qiáng)氧化劑得到氧化石墨，再經(jīng)過(guò)剝離處理得到氧化石墨烯，最后通過(guò)還原得到石墨烯。

我國(guó)在石墨烯領(lǐng)域的研究起步與發(fā)達(dá)國(guó)家相比較晚，但在近些年的努力下，文獻(xiàn)發(fā)表量和專利數(shù)量都已經(jīng)位居全球首位。2015年5月，國(guó)家金融信息中心指數(shù)研究院發(fā)布的全球首個(gè)石墨烯指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果顯示，我國(guó)全球石墨烯產(chǎn)業(yè)綜合發(fā)展實(shí)力位列全球第3位，僅次于美國(guó)和日本。

從石墨烯專利技術(shù)申請(qǐng)領(lǐng)域看，2013年之前，石墨烯相關(guān)研究主要集中在制備領(lǐng)域。隨著制備技術(shù)的完善與成熟，石墨烯專利申請(qǐng)不斷向下游應(yīng)用拓展，并開(kāi)拓出新的領(lǐng)域。2013年至2015年間，全球新增大量關(guān)于復(fù)合纖維、涂層、功能薄膜、水處理等新興領(lǐng)域的石墨烯技術(shù)專利申請(qǐng)，其中關(guān)于石墨烯基復(fù)合材料的專利申請(qǐng)幾乎翻番。

當(dāng)前，石墨烯有幾個(gè)重要的應(yīng)用方向，比如在儲(chǔ)能領(lǐng)域，制作超級(jí)電容器，太陽(yáng)能電池等；在復(fù)合材料方面的應(yīng)用，包括塑料、橡膠、涂料、阻燃等；在電子領(lǐng)域的應(yīng)用，比如替代多晶硅。相信未來(lái)隨著技術(shù)的進(jìn)步，石墨烯會(huì)有更廣闊的市場(chǎng)。

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