石墨烯的功能與應用
——生長、性質與新器件

王斌，智林杰,2

1國家納米科學中心，納米科學卓越創新中心，納米系統與多級次制造重點實驗室，北京 100190

2中國科學院大學，北京 100049

石墨烯原子層厚度的二維平面結構以及其獨特的物理化學性質引起了國際學術界的廣泛關注1，同時也賦予石墨烯豐富多樣的光、熱、電、磁、力等功能。石墨烯的結晶度、旋轉錯位、物理形變等無不引起其功能的顯著變化，而雜原子摻雜、可設計孔洞、選擇性邊緣結構、特異性復合等也往往賦予石墨烯特殊的性能與應用。同時，在納米與分子尺度上對石墨烯的結構、骨架、孔道等進行設計與構建更能衍生出許多全新的功能化石墨烯材料，有可能會帶來科學上的重大發現。本專刊收集了國內部分科學家在相關領域的研究成果，通過主題聚焦、思想碰撞來探索石墨烯獨特的功能與應用價值，為推動石墨烯材料實際應用提供理論基礎和技術指導。本專刊分成兩期在2022年第1期和第2期印刷出版。本期主要圍繞高質量石墨烯的生長、性質調控和新功能器件的開發展開討論，下一期則聚焦在功能化石墨烯的規模化制備和能源相關的應用研究上。

石墨烯的功能和應用首當其沖面臨的難題是高質量石墨烯的制備。劉忠范和丁峰等2首先從理論計算的角度，總結了各種金屬襯底在石墨烯化學氣相沉積（CVD）生長過程中的各種作用與相應的機理，包括在催化碳裂解、修復生長過程中產生的缺陷、以及在降溫過程中石墨烯褶皺與金屬表面臺階束的形成過程等，為實驗現象提供合理的解釋，同時為將來的實驗提供可能的指導。除了金屬襯底，CVD過程中的另一個要素是氣相。劉忠范團隊3進一步綜述了氣相反應帶來的影響，包括氣相傳質過程和氣相反應過程，以及在氣相反應調控下石墨烯的結晶度、潔凈度、層數和生長速度等參數的變化規律，給CVD石墨烯的生長提供了新的切入視角。在長期理論和實踐經驗積累的基礎上，劉忠范團隊在超潔凈石墨烯的控制生長方面做出了突出的貢獻。他們也對此進行了總結4，分析了石墨烯生長過程中表面污染物的形成機理，綜述了超潔凈石墨烯的制備方法，列舉了其優異的性質，并對該領域未來發展可能面臨的機遇和挑戰進行了展望。

石墨烯的制備是基礎，其功能和應用則是重要的出口。為滿足不同的應用需求，在石墨烯本征物性的基礎上，往往還需要對其進行功能化，但目前對于石墨烯功能化產物缺乏系統全面的分類和精確的定義。智林杰等5在系統總結現有石墨烯功能化研究的基礎上，給出了石墨烯功能化產物的系統分類、各類的精確定義和相應的制備策略，并通過典型示例進行了詳細地論述。對該領域的系統總結將有助于功能化石墨烯材料的進一步發展。

在功能化石墨烯的基本物性方面，康飛宇等6介紹了應用于石墨烯熱導率測量的微納尺度傳熱技術，并展示了當前的理論研究成果及石墨烯在導熱材料中的應用，包括高導熱的石墨烯膜、纖維及熱界面材料等。王斌等7則從石墨烯的力學性質出發，總結了采用層間共價鍵連接的方式來克服石墨烯層間弱作用力的策略，以此實現石墨烯力學性能的提升，同時介紹了層間共價成鍵所采用的方法和性質及其分析手段，提出了下一步的發展方向。

功能化不僅優化了石墨烯的傳統物性，也為基于其新性質的器件開發帶來了新的思路。任文才等8綜述了近年來石墨烯表面電荷轉移摻雜的研究現狀，著重介紹了最新發展的高效p型和n型摻雜劑，并探討了基于摻雜石墨烯透明電極的高性能光電器件的發展趨勢。基于三維石墨烯組裝體材料優異的吸光和光熱轉化效率等性質，曲良體等9介紹了高效、綠色的光熱水凈化、收集器件，為水資源的循環利用提供了新的途徑。周建新等10則圍繞自供能器件的基本能量供給原理，包括電化學供能、光伏供能、摩擦電供能、水伏供能等，介紹了石墨烯在自供能傳感器件中的應用，并對基于石墨烯的自供能傳感器件的未來發展、挑戰和前景進行了展望。陳成猛等11將三維銅/石墨烯氣凝膠作為相變儲能骨架材料，制備了結構穩定性高、泄漏率低的復合材料，該類結構的構筑對未來的相變儲能、多孔微波吸收等新生研究方向有重要的參考價值。

高質量石墨烯的制備是其高端應用的基礎，在此基礎上進行功能化改性，可以獲得對其結構和性質關系的清晰認識，健全理論機制，指導并創制出新型的功能器件，拓展石墨烯的應用前景。這些基礎研究不僅引起了學術界的廣泛關注，而且得到了工業界的高度重視。為將功能化石墨烯材料推向產業化，研究人員對其規模化制備技術和實際應用進行了長期、大量的探索，并取得了一定的成績。在本專刊的下期介紹中，我們收集了功能化石墨烯相關的規模化制備及其在能源領域相關應用中的一些最新進展報告。這兩期的內容整體上涵蓋了石墨烯的制備理論、方法、性質、新功能探索和規模化應用等，全方位展現了石墨烯功能和應用的發展現狀，希望《物理化學學報》的讀者通過閱讀本專刊中的文章，能對該領域有一些新的認識。