石墨烯的功能與應用
——規模制備和能源相關應用

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

2004年曼徹斯特大學報道了首個具有明確結構的石墨烯材料1，其優異的物理化學性質引起了科學界和工業界的持續關注。經過十幾年的探索，石墨烯的規模化制備和應用已取得了長足的進步，尤其是在能源存儲和轉化等領域展現出了廣闊的應用前景。本專刊收集了國內部分科學家在相關領域的研究成果，分成兩期在2022年第1期和第2期印刷出版。上一期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了討論，本期則聚焦在石墨烯的規模化制備和在能源相關領域的實際應用方面。

劉忠范團隊在高質量石墨烯的化學氣相沉積生長(CVD)方面有長期的積累，并實現了石墨烯晶圓的批量制備。基于此，從使用規范和應用場景出發，他們2介紹了石墨烯晶圓的標號化制備需求，提出按照石墨烯的品質進行等級分類，形成面向應用的技術標準，并重點論述了CVD規模化制備技術，分析了未來可能的發展方向，對石墨烯切實走進人們的生活提出了期望。除二維形態外，石墨烯也可以形成一維纖維材料，而根據結構的不同可以將石墨烯纖維分為兩大類：一類是通過片層的緊密有序堆積形成一維宏觀材料，另一類是利用CVD的方法將石墨烯沉積在其它的纖維材料上，形成復合功能材料。劉忠范團隊對這兩種石墨烯纖維的發展現狀分別進行了總結。首先介紹了通過濕法紡絲、限域水熱等組裝方法制備石墨烯纖維的過程3，詳細闡述了其性能及提升策略，并對此類纖維的應用方向進行了歸納和展望。其次，他們介紹了模板法CVD生長石墨烯復合纖維的技術4，如在石英纖維、光纖等材料上進行沉積的過程控制和相應的力、電、光學性質，及其在智能傳感、光學器件、柔性電極等領域的應用。

石墨烯規模化制備技術的日趨成熟推動了其在多個應用領域研究的快速發展，如催化、儲能、散熱、光電轉換、功能涂料等。其中，能源問題是人類生存的根本問題。在2020年9月第75屆聯合國大會上，習近平總書記向全世界做出“力爭于2030年前二氧化碳排放達到峰值，努力爭取2060年前實現碳中和”的承諾。發展綠色儲能技術和二氧化碳的高效還原技術是實現低碳經濟的兩個重要手段。

在儲能電池方面，宋懷河等5從石墨烯的實用化角度出發，研究了石墨烯包覆天然球形石墨用作鋰離子電池負極材料時，乙炔黑導電劑的添加對其電化學性能的影響。在此過程中，石墨烯不僅作為活性物質，也可作為導電劑來使用，而乙炔黑則發揮橋連作用，與石墨烯協同形成更加高效的導電網絡，提高了電池的容量。何海勇等6則采用還原氧化石墨烯對剝離石墨進行包覆，剝離石墨的大層間距的特點有利于鉀離子的快速脫嵌過程，同時也抑制了剝離石墨的堆疊，增強了石墨基負極在鉀離子電池中的穩定性。吳明鉑等7綜述了近年來表面化學修飾的石墨烯、石墨烯基復合材料以及柔性材料等在鋰硫電池正極中的研究現狀，展望了石墨烯作為硫載體在鋰硫電池正極中的發展前景。范壯軍等8從石墨烯基的超級電容器器件出發，系統總結了石墨烯薄膜的簡易制備方法，綜述了通過結構調控和表面修飾等方法來優化石墨烯薄膜電化學性能的策略，并對石墨烯薄膜應用所面臨的挑戰和未來的發展進行了總結和展望。

利用電催化技術將二氧化碳轉化為小分子燃料或高附加值化學品是構建人工碳循環的綠色能源技術之一。邱介山等9評述了石墨烯基材料在該領域的研究進展，詳述了石墨烯基電催化劑的構筑方法，探討并梳理了石墨烯的點/線缺陷、表面官能團、摻雜原子構型、金屬單原子種類、材料表界面性質等與還原反應的本征構效關系。智林杰等10通過熱解含鎳金屬的有機框架材料和二腈二胺制備了高載量鎳單原子(7.77%，w)負載的超薄氮摻雜碳納米片，其在較寬的電壓窗口內(-0.77到-1.07 Vvs.RHE)產生一氧化碳的選擇性都高于90%，且具有優良的穩定性。該結果表明，采用有機框架材料為前驅體制備二維碳納米片可以實現高效負載金屬原子的功能性催化材料，對高選擇性的二氧化碳還原催化劑的結構設計和制備有指導意義。

盡管石墨烯的高質量制備和結構、功能控制還存在許多困難與問題，但是石墨烯在許多領域的實際應用卻也在快速發展。特別是利用石墨烯中存在的結構缺陷導致的特殊功能，使其在催化、電化學轉化、光電轉化、電熱轉化等領域具有良好的應用前景。石墨烯通過化學改性、結構優化、多組分復合等手段更是可以有針對性地優化其在實際使用中的性能，從而在二次電池、超級電容器、太陽能利用、導熱散熱、防護涂層、過濾凈化、生物傳感等領域發揮重要作用。這些應用研究在學術界和產業界正在受到越來越多的重視，其中的有些研究成果正在逐漸實現商業化應用，相信在不遠的將來會逐步走進人們的生活。