石墨烯可望低成本規模化生產

　　“一秒鐘內下載一部高清電影，手機的充電時間縮短到一分鐘，這些都有可能在2024年前后實現，靠的僅僅是一個小小的石墨烯器件。”在兩年前的一場報告會上，中國科學院院長白春禮曾作出如上預測。

　　近日，“石墨烯及其復合材料規模化制備與應用”項目負責人，復旦大學聚合物分子工程國家重點實驗室教授盧紅斌透露：經過項目組的多年研究，石墨烯低成本規模化制備技術已漸成熟，可望加速實現我國天然石墨的高附加值利用，并拉動新材料、電子器件、交通運輸、航空航天和國防等相關產業的技術革新與進步。

　　石墨烯是已知材料中最薄的二維晶體，僅單個碳原子厚度，其突出的力學強度、載流子遷移速率和巨大的比表面積等許多獨特性質使其成為本世紀最具潛力的二維納米材料，激起了人們的強烈興趣。

　　目前，世界各國都已瞄準了石墨烯商機，紛紛加大研發力度，著力推進石墨烯的規模化應用。

　　國內外各大企業紛紛關注石墨烯產業的發展，且均已投入巨資試圖占領石墨烯產業發展的制高點。近期，繼“中關村豐臺園戰略性新材料國際合作項目”首個以石墨烯新材料為關鍵技術的國際合作項目正式啟動后，全國中小企業股份轉讓系統（新三板）披露的公告顯示，主營產品為石墨烯粉體的公司“第六元素”已獲得新三板掛牌函。

　　“然而，迄今為止，石墨烯低成本、高效率生產仍然是制約其商業化應用的關鍵瓶頸。” 盧紅斌說。石墨烯是天然石墨的基本構造單元，將石墨剝離成為單個石墨烯片層是實現規模化應用的關鍵步驟。

　　如果能夠在液相中實現無需還原的高效剝離、且可高濃度穩定分散于溶劑中，將不僅能夠簡化工藝流程，也可有效解決石墨烯規模化制備與應用中的儲存和運輸問題。

　　近日，項目組提出的一種快速、高效的水相剝離新技術，為實現石墨烯的規模化制備與應用提供了有效的解決方案。整個剝離過程都是在室溫常壓下進行的，可在幾小時內實現石墨烯的徹底剝離，基本不涉及高溫操作。

　　據介紹，剝離過程采用的全部是廉價的常規試劑，這使得最終制備的石墨烯成本甚至低于高質量的導電炭黑。剝離的石墨烯不僅具有良好的結構完整性和薄膜電導率，還可在比炭黑更低填充含量情況下實現更好的導電性能。同時，剝離的石墨烯還可以極高固體含量形成水相糊料或濾餅，后者仍可方便地再次均勻分散于水相溶液中且不發生聚集。這極大地方便了石墨烯的儲存運輸以及與下游產品制備工藝的銜接，顯示了極佳的市場應用潛力。

　　盧紅斌說，對于石墨烯在復合材料和儲能材料中的應用，其微觀結構與性能調控同樣是極為關鍵的環節。項目組從2008年開始從事石墨烯復合材料方面的研究，已在石墨烯表面修飾、界面結構優化、鋰離子電池、超級電容器、燃料電池脫氫催化劑等方面取得系列進展。

　　該項目組提出了第一個在石墨烯表面調控聚合物共價接枝密度和接枝鏈長的方法、以及在石墨烯復合材料中構建仿生界面的新方法；為了提高石墨烯基鋰電池容量和循環性質，項目組建立了第一個二硫化鉬納米片層低成本、高效率自發剝離的新技術；為了優化石墨烯基超級電容器和催化脫氫性能，項目組也相繼發展了高性能的石墨烯復合材料全固態超級電容器和高效率石墨烯負載催化劑。

　　盧紅斌說，這些新方法的建立以及與低成本、高質量石墨烯制備技術的結合，將促進石墨烯新材料的商業應用，為實現石墨資源的高效利用奠定基礎。