石墨烯的制備及工業(yè)應(yīng)用分析

劉淵 王勤生 楊永強

(江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗研究院無錫分院， 江蘇 無錫 214174)

石墨烯的制備及工業(yè)應(yīng)用分析

劉淵 王勤生 楊永強

(江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗研究院無錫分院， 江蘇 無錫 214174)

作為一種“超級材料”，石墨烯是新技術(shù)新產(chǎn)業(yè)革命的重要組成部分；其制備及工業(yè)應(yīng)用發(fā)展，成為了大眾關(guān)注的焦點問題，也是材料基礎(chǔ)與應(yīng)用領(lǐng)域重要的研究內(nèi)容。在這樣的形勢背景下，對石墨烯的制備及工業(yè)應(yīng)用進行一番深入的探究有著十分重要的科學(xué)意義與應(yīng)用價值。因此，本文主要論述了石墨烯的制備流程，并結(jié)合具體的工業(yè)應(yīng)用案例，對石墨烯的應(yīng)用發(fā)展進行探究，并提出可行性建議或意見。

石墨烯；制備流程；工業(yè)應(yīng)用；發(fā)展展望

石墨烯的制備及工業(yè)應(yīng)用在這幾年里可謂是進入了“井噴式”的發(fā)展；據(jù)不完全統(tǒng)計，到2016年年底，我國已經(jīng)申請了2200多項石墨烯專利技術(shù)，僅我國珠三角地區(qū)從事石墨烯研發(fā)、生產(chǎn)、應(yīng)用等相關(guān)企業(yè)數(shù)量就超過400家。但與此同時，石墨烯的發(fā)展也面臨著市場選擇、技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展等一系列問題，亟待解決；而在石墨烯的制備及工業(yè)應(yīng)用發(fā)展中持續(xù)保障競爭力意義重大。基于這樣的發(fā)展現(xiàn)狀及研究目標，本文就石墨烯的制備及工業(yè)應(yīng)用這一問題從石墨烯的制備流程、石墨烯的工業(yè)應(yīng)用案例分析以及石墨烯的應(yīng)用發(fā)展展望等方面展開一番論述與剖析。

1 石墨烯的制備流程

石墨烯，有著性能優(yōu)良和應(yīng)用前景廣泛等特點；極大的促進了這一材料制備技術(shù)的快速發(fā)展。從2004年問世以來，石墨烯的制備主要發(fā)展了微機械剝離法、化學(xué)氣相沉淀CVD法、外延生長法和氧化石墨還原法這四種主要方法。每種制備方法在原理、工藝以及制備流程上存在不小的差異[1]。在本文的論述中，主要以氧化石墨還原法為例，對石墨烯的制備流程展開論述。

石墨還原法制備石墨烯，以其簡單的特點在實驗制備中得到了廣泛的推廣與應(yīng)用。首先，用濃硫酸或者濃硝酸、高錳酸與石墨進行混合，達到均勻狀態(tài)；接著，在約40攝氏度下進行反應(yīng)，持續(xù)約30分鐘左右；對所獲得的溶液進行稀釋，并通過加入約30%濃度的H2O2來除去高錳酸鉀，用10%左右濃度的稀鹽酸進行洗滌，最后在不高于30攝氏度下鼓風(fēng)干燥，獲得黃色的氧化石墨固體；而第二步是對氧化石墨進行剝離。通過將氧化石墨研磨成粉放在微波下迅速加熱至500度的高溫，超聲剝離后與水合肼在85攝氏度下進行還原反應(yīng)，從而獲得單層或多層石墨烯分散液。

2 石墨烯的工業(yè)應(yīng)用案例分析

石墨烯作為一種特殊的納米級的“神奇材料”，在工業(yè)應(yīng)用中得到了迅猛的發(fā)展。在傳感器領(lǐng)域、儲能和新型顯示領(lǐng)域、半導(dǎo)體材料領(lǐng)域以及生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。許多學(xué)者對石墨烯的工程應(yīng)用展開了分析與探究，其中，周超等人[2]就石墨烯在傳感器中的應(yīng)用發(fā)展進行了總結(jié)：石墨烯具有體積小、表面積大、靈敏度高、響應(yīng)時間快、電子傳遞快、能提升傳感器的各項性能，因而在傳感器中應(yīng)用廣泛；陳成猛等人[3]對石墨烯在儲能和新型顯示領(lǐng)域中的應(yīng)用進行了分析，研究結(jié)果表明：化學(xué)剝離石墨烯宏觀組裝體能夠在儲能和導(dǎo)熱領(lǐng)域取得更好的效果，值得推廣應(yīng)用及深入發(fā)展探究；而在半導(dǎo)體材料領(lǐng)域，許多學(xué)者的的研究發(fā)現(xiàn)，石墨烯是替代硅的理想材料，在光互連和低功率光子集成電路領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景；除此之外，石墨烯在納米藥物運輸系統(tǒng)、生物檢測、生物成像、腫瘤治療等方面的應(yīng)用廣闊；同時石墨烯的許多衍生物，比如基于石墨烯的實驗裝置能夠在蛋白檢測、DNA檢測等方面做出貢獻[4]。總的來說，石墨烯性能優(yōu)良、應(yīng)用廣泛[5]。

3 石墨烯的應(yīng)用發(fā)展展望

雖然石墨烯，在許多領(lǐng)域取得了突出的成績，但是隨著研究的不斷深入以及市場需求的改變等因素，如何保障石墨烯探究與應(yīng)用的持續(xù)高效性是發(fā)展過程中需要特別思考的問題。因此，本文就石墨烯的應(yīng)用發(fā)展提出以下幾點建議：

(1)加大關(guān)于石墨烯及其衍生物的基礎(chǔ)理論及實踐應(yīng)用探究，優(yōu)化石墨烯的制備與應(yīng)用流程。石墨烯作為超級材料，應(yīng)用廣泛，但目前還有許多問題需深入探究，只有更加完善的理論技術(shù)體系支持，才能夠為石墨烯的應(yīng)用提供強有力的保障。(2)理性看待石墨烯及相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，持續(xù)高效的做好石墨烯的技術(shù)研究及應(yīng)用規(guī)劃。石墨烯的優(yōu)良性能促使大批企業(yè)加入到石墨烯的研制及生產(chǎn)大軍中，但許多企業(yè)并不具備相關(guān)技術(shù)及資歷，而石墨烯的發(fā)展，只有更加的合理科學(xué)化，才能夠更加長期有效。(3)完善石墨烯發(fā)展與管理機制，大力推進石墨烯產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)的進程。眾所皆知，在過去的幾年中，石墨烯已經(jīng)成為國內(nèi)外備受矚目的前沿和熱點，在材料、能源、環(huán)境等方面取得了卓越的發(fā)展及成果，但大多局限于實驗室制備與應(yīng)用，離工業(yè)化生產(chǎn)還有很大的差距。因此，深入探究，加快工業(yè)生產(chǎn)進程意義重大。

3 結(jié)語

石墨烯，在制備及工業(yè)應(yīng)用上還需許多問題需要深入探究，雖然成果豐碩、應(yīng)用前景廣泛被看好，但發(fā)展之路仍是任重而道遠。只有在發(fā)展的過程中，以技術(shù)手段深入探究為基礎(chǔ)，不斷完善制備工藝，持續(xù)穩(wěn)定的推進工業(yè)應(yīng)用，那么就一定能夠取得更大的突破與成功。

[1]楊林,王天華,易莎莎,等.國內(nèi)外石墨烯應(yīng)用研究發(fā)展與展望[J].化學(xué)工程與裝備,2015,(9):164-165.

[2]周超,陳思浩,樓建中,等.石墨烯在傳感器中的應(yīng)用研究進展[J].材料導(dǎo)報,2014,(S1):15-20.

[3]陳成猛,孔慶強,張興華,等.化學(xué)剝離石墨烯宏觀組裝體在儲能和導(dǎo)熱領(lǐng)域的應(yīng)用[C]// 全國新型炭材料學(xué)術(shù)研討會.2013.

[4]王義.石墨烯的模板導(dǎo)向制備及在電化學(xué)儲能和腫瘤靶向診療方面的應(yīng)用[D].復(fù)旦大學(xué),2014.

[5]陳冠雄,談紫琪,趙元,等.面向能源領(lǐng)域的石墨烯研究[J].中國科學(xué):化學(xué),2013,(6):704-715.