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(dāng)我們用鉛筆在紙上輕輕劃過時(shí)，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(xué)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(fù)合物；1859年，英國化學(xué)家Brodie在Schafhaeutl研究基礎(chǔ)上用強(qiáng)酸及氧化物（KCl03）制備出了層狀結(jié)構(gòu)更為疏松，且表面負(fù)載了官能團(tuán)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(jià)鐵鹽對氧化石墨的加熱和化學(xué)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(xué)的兩位科學(xué)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(fù)操作，薄片越來越薄，最后，他們得到了僅由一層碳原子構(gòu)成的薄片——石墨烯，并共同獲得了2010年度諾貝爾物理學(xué)獎，有關(guān)石墨烯的研究至此進(jìn)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(gè)ns軌道和一個(gè)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(gòu)的新材料 ，具有優(yōu)異的光學(xué)、電學(xué)、力學(xué)特性，在材料學(xué)、微納加工、能源、生物醫(yī)學(xué)和藥物傳遞等方面具有重要應(yīng)用前景，被認(rèn)為是一種未來革命性材料。

　　享有“黑金”美譽(yù)的石墨烯是目前世界上最薄卻最堅(jiān)硬的新型納米材料，幾乎完全透明，只吸收2.3%的光，導(dǎo)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(jià)。目前，石墨烯常見的粉體制備方法為機(jī)械剝離法、氧化還原法、SiC外延生長法，化學(xué)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(yùn)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(shù)路線圖，明確了其產(chǎn)業(yè)化發(fā)展重點(diǎn)、方向和路徑，指出當(dāng)前已解決相關(guān)產(chǎn)品制備技術(shù)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(gòu)調(diào)控技術(shù)。未來將重點(diǎn)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(shù)，大力發(fā)展石墨烯高精尖應(yīng)用技術(shù)以及下游產(chǎn)品開發(fā)，不斷拓展石墨烯相關(guān)產(chǎn)品應(yīng)用領(lǐng)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(shù)的研究也從如何制備轉(zhuǎn)移至擴(kuò)大應(yīng)用。當(dāng)前，一些具備石墨烯生產(chǎn)能力的公司還停留在應(yīng)用試驗(yàn)和研究階段，真正涉足高端應(yīng)用領(lǐng)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(guān)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(jìn)制備技術(shù)的突破，預(yù)計(jì)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(dá)到萬噸級。據(jù)國內(nèi)外各機(jī)構(gòu)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(lǐng)域，中長期來看主要集中在電子、光電及儲能領(lǐng)域，市場應(yīng)用前景廣闊。

　　石墨烯的應(yīng)用領(lǐng)域

　　01

　　能源領(lǐng)域

　　石墨烯由于比表面積較大、導(dǎo)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(shí)，石墨烯優(yōu)異的電學(xué)性能和化學(xué)性能使其在電極材料和電池材料的制作中廣泛應(yīng)用，使用石墨烯改進(jìn)鋰離子電池的儲電性能是當(dāng)前研究的熱門領(lǐng)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(lǐng)域

　　由于石墨烯在光學(xué)、電學(xué)、力學(xué)、化學(xué)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(dǎo)體器件、顯示器、超高性能的芯片、高分子復(fù)合材料、導(dǎo)電涂料以及電池電極材料。此外，石墨烯復(fù)合材料也是當(dāng)前研究的熱門領(lǐng)域．以石墨烯為基礎(chǔ)的各種復(fù)合材料在不同方面對其性能進(jìn)行了改良，因而具有更加廣泛的應(yīng)用前景。

　　03

　　環(huán)境領(lǐng)域

　　在環(huán)境領(lǐng)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(lǐng)域的應(yīng)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(xiàn)。同時(shí)，其在環(huán)境污染治理和檢測方面也有重要應(yīng)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(lǐng)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(jìn)行藥物輸送，在提高載藥量的同時(shí)實(shí)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(yùn)輸中具有很好的應(yīng)用前景。同時(shí)，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(xué)性能和獨(dú)特的光學(xué)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(shù)，運(yùn)用科技創(chuàng)新力量，加強(qiáng)產(chǎn)業(yè)鏈延伸，探索石墨烯制備基礎(chǔ)研究及產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。目前相信在不久的將來，石墨烯材料的產(chǎn)品可以走進(jìn)千家萬戶，為我們帶來更好的生活體驗(yàn)。

　　編輯：黃飛