【启物明维】神奇的碳纳米材料——石墨烯

石墨烯（Graphene）是一种由碳原子构成的单原子层二维结构的新材料，是由碳原子以sp2杂化形成的六角型呈蜂巢晶格的结构。石墨烯一直以来被认为是假设性的结构，无法单独稳定存在。2004年，英国曼彻斯特大学材料学家安德烈·海姆(AndreGeim)和康斯坦丁·诺沃肖洛夫(KonstantinNovoselov)利用胶带反复撕扯剥离高定向热解石墨HOPG(HighlyOri鄄entedPyrolyticGraphite)的方法，成功地从石墨中分离制备出石墨烯，而证实它可以单独存在，两人也因“在二维石墨烯材料的开创性实验”，共同获得2010年诺贝尔物理学奖。

石 墨 烯 厚 度 只 有0.334nm，是世界上首个发现的最薄的材料。所有其他维度的我们所熟知碳的同素异形体都可以理解成是由石墨烯作为基本单元的结构和物质，譬如石墨烯可以通过范德华力堆叠成三维的石墨，卷曲成一维的碳纳米管（或卷），包裹成零维的富勒烯。

目前石墨烯制备方法可分为两大类:一是自上而下的剥离法（Top-down），即以石墨为原料采用片层剥离或研磨技术获得石墨烯。二是自下而上的生长法（Bottom-up），即在一定条件下有机碳源前驱体高温裂解形成的碳原子在基体上沉积、生长和结晶制备出石墨烯。具体可实施的方法主要包括：微机械剥离法、液相剥离法、化学气相沉积法、化学合成法、晶体外延生长法和氧化还原法。

石墨烯具有超大的比表面积、优异的强度、导电性、导热性、高电子迁移率、透光性，在材料学、微纳加工、能源、生物医学和药物传递等方面具有重要的应用前景，被认为是一种未来革命性的材料。石墨烯的出现在科学界激起了巨大的波澜。人们发现，石墨烯具有非同寻常的导电性能、超出钢百倍的强度和极好的透光性，它的出现有望在现代电子科技领域引发一轮革命。在石墨烯中电子能够极为高效地迁移，而传统的半导体和导体，例如硅和铜远没有石墨烯表现得好。石墨烯是已知的最薄、最坚硬的纳米材料，它几乎是完全透明的，只吸收2.3%的光；导热系数高达5300W/m·K，高于碳纳米管和金刚石，常温下其电子迁移率超过15000cm2/V·s，又比碳纳米管或硅晶体高，而电阻率只约10-6Ω·cm，比铜或银更低。因其电阻率极低，电子迁移的速度极快，因此被期待可用来发展更薄、导电速度更快的新一代电子元件或晶体管。由于石墨烯实质上是一种透明、良好的导体，也适合用来制造透明触控屏幕、光板、甚至是太阳能电池。石墨烯被美国麦肯锡公司认为是改变世界未来的12项变革性技术之一，有望成为21世纪的新材料纪元的引领者和带动者，其应用前景和发展趋势给人以无限的遐想和期待。鉴于石墨烯优越的性能及广阔的应用前景，目前全球约有80多个国家和地区开展了石墨烯相关的研究，纷纷出台创新战略、产业规划、扶持政策，不断加大对石墨烯研究和产业化的支持力度。其中美国、中国、英国、日本、韩国、欧盟及其成员国先后从国家层面开展战略部署，出台多项支持政策和研究计划，处于全球石墨烯技术研究与产业化的前列。在材料发展史上，石墨电极的应用、碳纤维复合材料以及碳-碳复合材料的开发和应用都极大地推动了科技的发展和人类的进步。石墨烯材料从理论和实验上都证明其具备特殊性质和奇异的性能，其应用前景不可限量。当石墨烯材料的结构和表面性能调控到极致时，石墨烯必将像碳纤维、高分子材料甚至硅材料，成为某一领域不可替代的物质。石墨烯作为新材料皇冠上的明珠，其应用前景充满无限可能与想象，我们有理由相信，随着技术进步和科学研究的发展，新型碳纳米材料将会给人类带来更多的惊喜和期待。

石墨烯作为战略性新兴材料，已列入国家“十三五”科技专项规划并明确了其发展路径。石墨烯是全球首个被发现的单原子层二维纳米材料，其特殊的结构和一系列突出的性能注定了其具有广泛的应用前景。

早在2009年，兰州大学拜永孝教授在密歇根大学做博士后研究期间就开展了石墨烯制备方法及其应用领域的研究工作。回国后在甘肃省、兰州市和兰州大学各级领导的关心、鼓励和支持下，在石墨烯研究领域的前辈和同仁们的提携和帮助下经过十来年的努力，主要做了如下方面的点滴工作。

石墨烯制备方法和工艺技术研发

突破了制约高质量石墨烯制备的科学与技术瓶颈，解决了石墨烯绿色规模化制备、提纯、改性、表面修饰及后处理的关键核心技术。已经实现了高品质石墨烯和石墨烯复合功能纤维的产业化制备，生产装置运行稳定。在系统优化工艺技术的基础上，目前可提供吨级石墨烯、十吨级石墨烯导电浆料的低成本制备工艺和工程建设技术。

石墨烯样品照片

能量储存与新能源

开发的石墨烯可应用于超级电容器、锂离子电容器和锂离子电池等可充电电池中以提高其能量密度、循环稳定性和低温性能等综合性能。石墨烯的单原子层片状结构不稳定，在热力学驱动下片层之间由于π-π作用易发生回叠和堆叠，从而使得比表面积大幅度减小和导电性迅速降低，从而限制了其功能特性的充分体现，这是制备高性能石墨烯超级电容器、锂离子电池电极面临的难题和挑战。同时，在实际应用中，提高电极材料的质量密度以减小能源存储器件的体积，也是新型超级电容器的发展方向。我们针对防止石墨烯材料的片层堆叠问题，通过设计和构建电极材料的三维结构，围绕电极材料的孔结构调控和表面性质优化这一关键问题，设计合成了不同孔结构与不同表面性能的石墨烯基电极材料、构筑了高能量密度的储能器件。

多孔状高密度石墨烯
电极材料和储能器件

导电油墨和墨水

开发的高导电性的石墨烯可实现环境友好的高性能导电油墨的配制，应用在物联网射频标签、传感器、印刷电路等微电子及信息技术领域。此外，还可以用于薄膜发热和柔性功能材料领域，利用石墨烯发射远红外波实现加热和发热作用，可用于功能服饰、保健、清洁供暖等方面。

石墨烯导电墨水与印刷电路

高分子复合材料

开发的石墨烯制备和改性技术，将表面改性修饰石墨烯采用原位聚合、熔融复合、溶液复合等特定的方法融合到塑料、橡胶、纤维等高分子基体材料中。通过调控石墨烯的表面结构和化学性质、界面能、表面浸润性来解决与不同类型聚合物的热力学相容性和相分离的问题，从而大幅提升复合材料的强度与韧性，同时赋予材料抑菌、抗紫外线、驱螨、防腐、抗静电、阻燃及导热等功能特性。

石墨烯-聚合物复合母料、薄膜、纤维和医用敷料