[高分子材料] 复旦大学卢红斌课题组在高质量石墨烯规模化水相制备方面取得新进展

石墨烯材料的研发现状和应用前景石墨烯（graphene）是一种纯碳的二维材料，由于其极高的导电性、导热性和强硬特性，这种材料自从2004年被Nobel Prize获得者Andre Geim教授和 Konstantin Novoselov教授发现以来，引起了全球科学家的高度关注和研究热潮。

自此，石墨烯已经被视为第二个深变革的材料，被认为将改变科技、工业、生物医学、材料科学等领域的发展轨迹。

石墨烯（graphene）的制备方法主要包括机械剥离法、化学剥离法和化学气相沉积法等，其中机械剥离法较为成熟，利用普通铅笔在硅基底上涂一层石墨使其分散后，应用电子显微镜进行选择性剥离，就可以获得薄至单层的石墨烯样品。

然而，方法不够规范和低成本始终是影响石墨烯发展的因素。

近年来，针对石墨烯的制备方法和性质研究取得了实质性的进展，成果涉及其在光电器件、传感器、锂电池、柔性电子设备、生物医学、高性能计算机等领域的应用前景。

据统计，目前全球已有近4万篇的期刊文章，报道石墨烯材料的相关研究。

以下将详细介绍其研发现状和应用前景。

一、石墨烯的应用前景石墨烯拥有优异的性能，其导电性是常规材料的百倍以上，最低电导率约为1.0×10(Mho·m)，最高电导率则达到了8.8×107(Mho·m)，而且还具有优良的导热性能、极强的机械强度、独特的光学特性和吸附功能。

根据这些特性，石墨烯的应用前景十分广阔。

首先，在光电器件领域，石墨烯薄膜的优异透明性和导电性，可以被用于照明、触摸屏、智能窗户、光伏电池等领域。

其次，在传感器领域，石墨烯的高比表面积和超薄二维结构，可以在气体、生物、化学等领域的传感器中，实现更为精确的感应和测量。

另外，在锂电池及其他能量存储器上，石墨烯的极佳的导电性和锂离子扩散系数，不仅从根本上改善了能量存储器的性能，而且在新型电池领域，如超级电容器、钠离子电池等领域，带来了更为广阔的应用前景。

石墨烯材料在各个领域应用的进展1复合材料石墨烯由于具有极高的力学性能和电学性能，在作为聚合物基体的加强功能化添加剂方面被认为据有广泛的讨论前景。

2023年美国西北大学的Stankovich和RuofjF等人在Nature上报道了薄层石墨烯．聚苯乙烯纳米复合材料。

该讨论小组首先使用苯基异氰酸酯对完全氧化的石墨烯进行化学亲油改性，使之剥离和分散在有机溶剂中。

剥离的石墨烯均匀分散在聚苯乙烯溶液中，加入少量还原剂即可恢复石墨片层的导电性。

在还原过程中，聚苯乙烯的存在有效地阻拦了石墨纳米片层的聚集，这是该方法成功的关键。

该复合材料具有较低的渗阀值，在0.1％的体积分数下即可以导电，1％体积分数下导电率可达0.1Sm—1，可广泛应用于电子材料。

氧化态石墨烯只有在还原情况下才能发挥其优异的电学和力学行能，为了解决氧化石墨烯原位还原制备复合材料过程团聚现象的发生，加添石墨烯在各种聚合物单体中的浸润性，Stankovich利用苯乙烯磺酸钠包覆氧化态石墨烯，降低了石墨烯之间的接触面积，从而阻拦其在还原过程中不可逆自聚。

Haddon所领导的小组制备了石墨烯．环氧树脂纳米材料。

首先制备石墨烯的丙酮分散液，与环氧树脂均匀混合固化后得到复合材料。

热导率测试表明厚度小于2nm的石墨烯片特别适合作为环氧树脂的填料，在添加量达到25％时，热导率可以提升3000％，达6.44WmoKl。

复合材料杰出的热导性能重要由石墨烯的二维单原子层结构，高的纵横比，硬度和低的热界面阻力。

但该方法使用了溶剂，使得在所得复合材料中有显现微纳孔洞的可能。

石墨烯的添加不仅有利于聚合物基体电性能，热传导性能的改善，对于提高玻璃化变化温度，复合材料力学性能也具有重点意义。

Ruoff和Aksay等人在聚丙烯腈及聚甲基丙烯酸甲酯中加入仅1％及0.05％的石墨烯纳米片后，发觉他们的玻璃化变化温度提升30℃，此外包括杨氏模量，拉伸强度，热稳定性等一系列力学及热学性质得到提高。

新材料科学的突破性成果新材料科学是一个快速发展的领域，不断涌现出各种突破性成果。

这些成果不仅在科学研究中具有重要意义，还对工业生产、能源利用、环境保护等方面产生了深远影响。

本文将介绍几个近年来在新材料科学领域取得的突破性成果，并探讨其应用前景。

1. 石墨烯石墨烯是一种由碳原子构成的二维晶体材料，具有极高的导电性和导热性，同时又具备了很强的机械强度和柔韧性。

这使得石墨烯在电子器件、能源存储、传感器等领域具有广泛应用前景。

近年来，科学家们通过不断改进制备方法，成功合成了大面积、高质量的石墨烯材料，并在光电器件、柔性电子等方面取得了重要突破。

二维过渡金属硫化物二维过渡金属硫化物是一类由过渡金属和硫原子构成的二维晶体材料。

这些材料具有优异的电子输运性能、光学特性和力学性能，被广泛应用于光电器件、催化剂、传感器等领域。

近年来，科学家们通过层状堆叠、离子交换等方法，成功合成了多种二维过渡金属硫化物，并在光电转换、催化反应等方面取得了重要突破。

有机无机杂化钙钛矿材料有机无机杂化钙钛矿材料是一类由有机离子和无机钙钛矿晶体构成的复合材料。

这些材料具有优异的光学特性、电荷传输性能和稳定性，被广泛应用于太阳能电池、光电器件等领域。

近年来，科学家们通过调控结构和组分，成功合成了高效率、稳定性较好的有机无机杂化钙钛矿材料，并在太阳能转换效率方面取得了重要突破。

纳米多孔材料纳米多孔材料是一类具有高比表面积和可调控孔径的材料。

这些材料具有广泛的应用前景，如催化剂、吸附剂、传感器等领域。

近年来，科学家们通过模板法、溶胶凝胶法等方法，成功合成了多种纳米多孔材料，并在气体分离、催化反应等方面取得了重要突破。

结论新材料科学的突破性成果为我们提供了更多的选择和可能性。

石墨烯、二维过渡金属硫化物、有机无机杂化钙钛矿材料和纳米多孔材料等新材料的涌现，将推动科学技术的发展，促进工业生产的进步，改善能源利用效率，推动环境保护工作。

随着新材料科学的不断发展，我们相信会有更多突破性成果出现，为人类社会带来更多福祉。

石墨烯及其复合材料的绿色制备技术申请人：严丹华指导老师：卢红斌副教授【课题的目的和意义】随着2010年诺贝尔物理学奖得主的揭晓，石墨烯（Graphene）也成为了炙手可热的话题。

2004年，英国Manchester大学物理和天文学系的Geim和Novoselov发现了石墨烯——它是一种由单层碳原子紧密堆积成二维蜂窝状晶格结构的碳质材料，是自然界已知材料中最薄的一种材料。

它具有超高的硬度、优异的导电及导热性能。

与碳纳米管相比，石墨烯更加廉价易得、容易加工改性，更加适用于实际的应用。

因此，石墨烯很快成为科学家研究的热点1。

日新月异的电子技术对硅晶体管提出更高的要求，使得硅晶体管的尺寸已经接近了极限值。

而石墨烯在更小尺度上优异的电学性能使其有可能替代硅：首先，当硅无法再分割得更小时，比硅还小的石墨烯可继续维持摩尔定律；其次，石墨烯被分割时，其基本的物理性能并不改变，而且它的电学性能可能会得到很大改善；电子在石墨烯内移动要比在硅中移动时受到的阻力小；电子穿过石墨烯几乎没有收到任何的阻力，所以产生的热量也非常少2。

除此之外，石墨烯还有更加广泛的应用。

它作为填料加入到聚合物基体中制备复合材料已经引起相当多的关注，如Robert等用石墨烯-环氧树脂作TIMs，使热导率增强3000%（掺杂量为25%体积分数），热导率达6.44W/mK 3。

正因石墨烯有如此多优异的性能，一种简易的、能够运用到大规模生产的石墨烯制备方法显得十分重要。

最初的纯石墨烯来源于石墨的机械剥离，但是这种方法不能批量生产石墨烯片层。

自石墨烯发现以来，研究人员已经发展了数种制备方法，但至今仍没有一种步骤简单、产量合适、环境友好的适宜于应用于工业生产的石墨烯制备方案。

现阶段应用最广泛的氧化-还原法制备石墨烯，在高产量与绿色之间很难得到平衡。

特别是环境问题日益严峻的今天，如何“绿色”、“环保”的进行工业生产给人们提出了新的课题。

因此，探索石墨烯的绿色制备方法显得具有重要的时代意义。

的方法，可最大程度保留原料鳞片石墨的片层尺寸与鳞片结构，从而使制备的石墨烯散热膜具有良好的热导率与力学性能。

“我们制备的高质量石墨烯散热膜从天然石墨出发，成本低廉，材料厚度在2～20微米可控，还可连续弯折20000次以上性能无衰减;工艺过程也最大程度简化，提高了生产效率，降低了能源消耗、环境污染和生产成本，可确保高质量石墨烯散热膜稳定生产。

”卢红斌介绍说。

据了解，石墨烯散热膜产品有着很好的应用前景，其厚度可控、综合性能优异，可广泛应用于智能手机、笔记本电脑、通讯基站等各类设备的热量管理。

随着5G通讯设备、LED 设备的不断发展，散热膜市场的成长空间也将越来越广阔。

新型柔性智能变色电池有望实现5月14日，从西安交通大学获悉，该校前沿科学技术研究院何刚教授课题组成功制备了含硫族元素紫罗精聚合物，并将其作为电极材料应用到有机自由基锂离子电池中，其研究成果以论文形式近日在德国《应用化学》上发表。

紫罗精类化合物是一种具有优异氧化还原特性的阳离子型有机分子。

在施加电压或光照条件下，可经历两步可逆的单电子氧化还原生成自由基正离子状态和中性分子状态，并伴随着明显的颜色变化。

其独特的氧化还原特性使其在储能材料领域被广泛应用，例如无机/有机锂/钠/镁离子电池，水系有机液流电池，有机自由基电池以及锂-氧电池等。

有机自由基电池作为一类新兴的储能器件，具有不含稀有金属、氧化还原性质可调、在分子层面上可柔性设计等优势，但这类电池还存在氧化还原态少、容量低、稳定性差等缺陷，极大地限制了其应用。

西安交大何刚教授团队相关机理研究表明，随着碲原子的引入极大提高了电极材料的电导率以及增加了锂化位点。

在此基础之上，他们将含碲元素紫罗精聚合物的电致变色性质与电池应用相结合，制备了一种新型的柔性变色电池，在电池的充放电过程中，伴随着明显的颜色变化。

这一研究工作不仅发展了一类新型的有机自由基电池，还为变色电池领域的研究提供了新的思路，可将含硫族元素紫罗精化合物应用于有机自由基锂离子电池，不仅能大大提高自由基电池的性能，还可以将这类分子的变色性质与电池性能相结合，发展新型的有机变色电池。

石墨烯：一种战略性新兴材料作者：卢红斌来源：《科学》2016年第05期石墨烯是一种分子量巨大的二维大分子。

因其独特的结构和优异的性能，具有广阔的应用前景和巨大的商业价值，短时间内就引起了世界各国学术界和产业界的强烈关注。

材料领域中很少有像石墨烯这样能够在短时间内迅速引起人们强烈关注的材料。

有关石墨烯研究的学术论文自2004年以来一直呈指数增长。

在产业应用方面，欧盟在2013年初宣布石墨烯人选“未来新兴技术旗舰项目”，并投资10亿欧元，历时10年，致力于将石墨烯从实验室技术发展成能够服务于社会的新材料。

中国科技部和自然科学基金委从2007年开始，累计投资数亿人民币进行石墨烯的相关基础研究。

2016年，随着“十三五”规划的全面出台，石墨烯已成为中国未来5年重点开发的战略性新兴材料。

石墨烯及其规模化制备技术的发展2004年，俄裔英国科学家海姆（A.Geim）和诺沃肖诺夫（K.Novoselov）等人的研究表明，单层和多层单晶石墨烯薄膜不仅在环境条件下能够稳定存在，而且还表现出显著的金属性质，其电荷浓度高达1013/厘米2、室温迁移率可达104厘米2/（伏·秒）。

进一步研究还显示，石墨烯的室温电荷迁移率实际可达105厘米2/（伏·秒），是现有硅材料的100倍，理论迁移率高达106厘米2/（伏·秒）。

考虑到现有芯片技术主要是在硅材料基础上建立起来的，所以石墨烯极高的电荷迁移效率无疑为未来高性能芯片的发展提供了可能。

作为自然界中能够稳定存在且具有良好化学惰性的二维晶体，石墨烯是现有材料中厚度最薄（仅相当于人头发丝直径的十万分之一）、强度最高（是钢铁的100倍）、导热导电性质极佳、比表面积巨大的新兴材料，被广泛应用于通信电子、柔性显示、可穿戴设备、储能材料、高性能涂层和特种纤维等各个领域。

石墨烯是一种分子量巨大的二维大分子（1平方微米单层石墨烯，其摩尔质量约为4.7×105千克/摩），平面内的碳原子彼此以sp2杂化的σ键连接，其键合能（615千焦/摩）比金刚石中以sp3杂化的C-C键合能还要高出近一倍，不仅能表现出类似苯环的芳香性（电荷可在平面内以无质量的方式快速迁移），还具有极高的刚性和力学强度。