假石墨烯：让买家当心！

作者：Akanksha Urade（博士IIT Roorkee和石墨烯和2D材料科学作家的学者）

想象一下，在未来，抗生素的销售没有控制，任何人都可以在没有法规的情况下制造抗生素，并在没有任何质量标准的情况下销售抗生素。许多人不愿意使用它们，因为害怕不良副作用或对它们的功效缺乏信心——这两者（字面意思）都可能是致命的。这就是石墨烯的情况，缺乏质量和不一致导致一种情况，这种状况虽然不是致命的，但仍然造成了广泛的混乱，这是不可接受的。

用作添加剂材料的二维、高质量、原始石墨烯一再表现出其惊人的特性，包括强度（比钢强200倍）、电导率（电流密度比铜高1,000,000倍）和存储大量能量的能力（因为与传统使用的石墨（~10平方米/克）相比，其表面积极高（2,600平方米/克）。但要实现所有这些奇妙的品质和更多，石墨烯薄片必须大（横向片尺寸为30+微米）才能达到这种抗拉强度；薄（1-5原子层）才能达到高表面积；并且，几乎无缺陷，几乎完美的电子流动性。但是，如果质量没有得到严格管理，商业用途无意中基于“假”石墨烯，我们可能会永远无法实现原始石墨烯的承诺和潜力。石墨烯旗舰总监Jari Kinaret教授感叹道：“缺乏标准一直是石墨烯和分层材料商业化的主要障碍。”

大型石墨烯片

尽管科学清楚地表明，石墨烯的惊人强度在>30微米时出现，但许多公司声称其材料具有高质量、原始石墨烯的抗拉强度。有些人更聪明一点，只是在他们的营销材料中陈述了高质量、原始石墨烯的抗拉强度，实际上并没有讨论其材料的强度。不止一家公司试图出售其用于防弹衣的材料，但经过昂贵而耗时的测试显示，他们的材料很脆——绝对是你穿防弹背心最不需要的东西！

薄石墨烯片

另一个问题是，石墨片必须有多薄才能具有石墨烯的特性？国际标准化组织（ISO）将石墨烯定义为十个或更少的六边形碳原子层。这是一个明确的标准。超过十个原子层是纳米片（11-2,999层）或石墨（3000多层）。不幸的是，有些公司以“石墨烯”或“石墨烯纳米片”的名义销售纳米片。还有一些公司将石墨粉作为“石墨烯”进行营销。

石墨烯、纳米片和石墨具有不同的特性，可以提供不同的产品性能结果。即使在真正的石墨烯中，原子层的数量也可以提供不同的结果。例如，据报道，用于神经学应用的电极在无缺陷单层薄片制成时表现最佳。相比之下，少层石墨烯可以在复合材料应用中提供最佳性能。然而，对于产品开发人员来说，要对材料做出明智的决定，准确的标签和表征总是必要的。

几乎无缺陷的石墨烯片

商业制造石墨烯最成熟的工艺之一是液相剥离。这涉及用硫酸、硝酸钠、高锰酸钾和水的混合物氧化石墨，以剥离石墨烯片。在这个过程中，氧原子以羟基、羧基和环氧基的形式与碳框架结合，将各层彼此分离，产生一种称为氧化石墨烯（GO）的材料。还原反应可用于部分消除一些含氧基团，从而产生另一种称为还原氧化石墨烯（rGO）的材料。即便如此，rGO充满了随机缺陷（尽管小于GO），也不是原始石墨烯。我的科学记者同事Kerry Taylor-Smith这样解释：“原始石墨烯——即原始、纯、未氧化形式的石墨烯——具有优于其氧化的同类石墨烯的优越性能，但原始石墨烯并不容易获得，其缺乏丰度阻碍了基于石墨烯的功能设备的发展。”但在他们的营销和瓶子标签中，许多提供GO和rGO的制造商方便地将这些材料称为石墨烯。

图1。石墨烯基材料的结构显示（a）原始石墨烯（b）石墨烯氧化物（GO）；（c）还原石墨烯氧化物（rGO）。

引起关注的原因

令人担忧的是，一些制造商将黑色粉末错误地标记为石墨烯，并以高价出售，而它们实际上主要由廉价的石墨组成。由于低质量的石墨粉作为高质量的石墨烯出售，行业和研究人员冒着浪费时间和金钱的风险。同样令人担忧的是，越来越多的公司制造纳米片并将其作为石墨烯进行营销。

博士警告说：“我们现在需要[石墨烯]标准，而不是十年后。”新加坡国立大学（CA2DM）高级二维材料中心主任Antonio Castro Neto。“因为如果没有标准，现在人们会继续购买劣质材料。这种材料的性质将不是石墨烯的性质。会有一种感觉，石墨烯没有充分发挥其潜力，这不是真的，因为我们知道在实验室里，石墨烯确实提供了它所承诺的一切。问题是，在公开市场，没有质量控制，人们正在购买一些实际上不起作用的东西。”

在《先进材料》上发表的一项研究中，新加坡国立大学的研究人员根据来自美洲、亚洲和欧洲60家不同制造商的知名方法，生成了一个系统测试协议，用于评估来自美洲、亚洲和欧洲的60家不同制造商的石墨烯。令人惊讶的是，调查显示，这些公司中的大多数都在销售石墨微片。调查表明，不到10%的材料含有石墨烯，被检查的产品都没有超过50%的石墨烯。该研究还指出，市场上的大多数石墨烯样品实际上是GO和rGO。此外，碳含量分析显示，样品经常受到严重污染，相当多的公司生产低碳含量的劣质材料。污染的潜在原因有很多，但最有可能是制造过程中使用的化学品。一个更具破坏性的结论是，“我们对全球石墨烯生产的广泛研究表明，市场上几乎没有ISO定义的高质量石墨烯。”

新加坡国立大学研究的一个启示是，许多公司正在将石墨粉碎成粉末，并建立网站来销售它。就目前的石墨烯市场而言，它以警告原则为指导——让买家当心。

博士说：“石墨烯的数十种新兴应用与社会的一些重大挑战密切相关：健康、气候、可再生能源和可持续性。”丹麦技术大学纳米结构石墨烯中心的Peter Bøggild。他警告说，“如果早期开发基于‘假石墨烯’，其中一些应用可能永远不会离开成功。”

石墨烯委员会发起了“The Verified Graphene Producer®”倡议，向客户保证，他们正在与一家信誉良好且称职的石墨烯供应商打交道。石墨烯委员会执行董事Terrance Barkan说：“消费者想知道他们购买的产品是正品，并将像广告中宣传的那样。”“对于不了解不同石墨烯材料的细微差别或哪个供应商有信誉的工业公司来说，这很难。The Graphene Verified Producer旨在为市场带来一定程度的透明度。”

为了帮助打击假石墨烯，经过验证的石墨烯生产者计划对石墨烯生产设施进行物理检查，以确定所使用的原材料、石墨烯生产方法以及最终产品的质量和安全性。为了确保石墨烯材料符合ISO技术规格，从制造过程中随机抽取样品，并在世界级实验室（如英国国家物理实验室）使用SEM、TEM、Raman、XPS和AFM等测试进行表征。石墨烯委员会通过促进沟通和试图建立市场信任，在这一领域发挥着举足轻重的作用。

至关重要的是，要了解这些假石墨烯材料永远无法赋予诺贝尔奖获得者二维材料的超高级特性。教育最终用户公司和公众了解真正的石墨烯如何推动另一场工业革命比以往任何时候都更加重要，而假石墨烯只会导致幻灭。

参考文献

Bøggild, Peter. “The war on fake graphene.” (2018): 502-503.

Kauling, Alan P., et al. “The worldwide graphene flake production.” Advanced Materials 30.44 (2018): 1803784.

Wick, Peter, et al. “Classification framework for graphene-based materials.” Angewandte Chemie International Edition 53.30 (2014): pp-7714.

The Graphene Council Verified Graphene Producer Program (2023)
https://www.thegraphenecouncil.org/page/VerifiedProducer#:~:text=The%20Graphene%20Council%20Verification%20Program,end%2Dusers%20a%20degree%20of