【中國(guó)傳動(dòng)網(wǎng) 行業(yè)動(dòng)態(tài)】 石墨烯在2004年被首次分離出來(lái)，由于其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)，物理和化學(xué)性質(zhì)，在過(guò)去十年，石墨烯在不同領(lǐng)域的應(yīng)用呈指數(shù)增長(zhǎng)。同時(shí)，生產(chǎn)和合成石墨烯的不同途徑也獲得了不同程度的成功。利用化學(xué)氣相沉積(CVD)和使用通過(guò)機(jī)械，化學(xué)或電化學(xué)方法將石墨剝離至石墨烯薄片的方法應(yīng)運(yùn)而生，并獲得了巨大成功，到目前為止，全世界共有數(shù)百家公司宣稱他們生產(chǎn)石墨烯，作為一種僅僅問(wèn)世十幾年的材料就獲得如此巨大的進(jìn)步，實(shí)在讓人驚訝。但這些公司合成的石墨烯質(zhì)量如何?

近日，新加坡國(guó)立大學(xué)AntonioH.CastroNeto教授和因石墨烯而獲得諾貝爾獎(jiǎng)的KonstantinS.Novoselov聯(lián)合在AdvancedMaterials上發(fā)文，對(duì)來(lái)自來(lái)美洲、亞洲和歐洲的60家公司的墨烯樣品進(jìn)行了分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，這些所謂的石墨烯性能有很大差異，對(duì)于大多數(shù)應(yīng)用來(lái)說(shuō)并不是最好的，并且大多數(shù)公司正在生產(chǎn)的并不是石墨烯，而是石墨烯微片。因此，作者呼吁，在考慮到物理性質(zhì)以及特定應(yīng)用要求的同時(shí)，需要制定嚴(yán)格的石墨烯表征和生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)，這是建立健康可靠的全球石墨烯市場(chǎng)的唯一途徑。

從圖1可以清楚地看到，大多數(shù)公司樣品中石墨烯含量低于10%，沒(méi)有公司生產(chǎn)的樣品中石墨烯含量超過(guò)50%。完美的結(jié)晶石墨烯應(yīng)具有100%的sp2鍵，然而，在所研究的公司中，沒(méi)有任何一家樣品的sp2鍵含量超過(guò)60%。通過(guò)對(duì)全球石墨烯生產(chǎn)的研究表明，市場(chǎng)上幾乎沒(méi)有ISO所定義的高質(zhì)量石墨烯(單層碳原子構(gòu)成)，這結(jié)果給過(guò)去十年石墨烯的熱潮真是潑了一盆冰水。但這似乎也從側(cè)面解釋了為什么石墨烯的實(shí)際應(yīng)用這么稀少，畢竟石墨烯與石墨的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)差異還是蠻大的。更讓人不安的是，如果沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，少數(shù)不良商家將石墨烯與石墨混合出售(畢竟二者都是黑色的)，在牟取暴利的同時(shí)，對(duì)石墨烯的應(yīng)用將是一場(chǎng)災(zāi)難。

圖1.a)不同石墨烯含量樣品對(duì)應(yīng)的公司數(shù)量。b)與AFM(D50和D90)的層數(shù)相關(guān)樣品對(duì)應(yīng)的公司數(shù)量。c)不同石墨烯層數(shù)樣品對(duì)應(yīng)的公司數(shù)量。d)不同橫向尺寸石墨烯樣品對(duì)應(yīng)的公司數(shù)量。e)不同碳含量樣品對(duì)應(yīng)的公司數(shù)量(根據(jù)元素分析得到)。f)不同C-Csp2含量樣品對(duì)應(yīng)的公司數(shù)量(XPS分析)。

作者認(rèn)為對(duì)高質(zhì)量石墨烯缺乏適當(dāng)表征阻礙了從根本上依賴于石墨烯的應(yīng)用的開(kāi)發(fā)。原子力顯微鏡(AFM)可測(cè)量石墨烯疊層的厚度信息。光學(xué)顯微鏡可提供石墨烯片尺寸信息。拉曼光譜可提供石墨烯結(jié)構(gòu)完整性信息，并可以辨別GO或rGO的存在。X射線光電子能譜(XPS)測(cè)量碳含量可用來(lái)標(biāo)定石墨烯純度。掃描電子顯微鏡和透射電子顯微鏡能提供樣品形態(tài)信息。這些基本信息將為統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的提出奠定基礎(chǔ)。

【石墨烯的標(biāo)準(zhǔn)】

國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)將納米材料定義為具有納米級(jí)外部尺寸(長(zhǎng)度范圍約為1至100nm)或具有納米級(jí)內(nèi)部結(jié)構(gòu)或表面結(jié)構(gòu)的材料，2D材料是“厚度為幾納米或更小的物質(zhì)。因此根據(jù)定義，石墨烯是最著名的二維材料，也是第一個(gè)在實(shí)驗(yàn)室中分離出來(lái)的二維材料。與石墨烯相比，石墨烯氧化物(GO)和還原氧化石墨烯(rGO)在合成的過(guò)程中晶格的對(duì)稱性被破壞并且碳原子的振動(dòng)頻率受到影響，對(duì)其結(jié)構(gòu)造成了很大的破壞，不利于其性能的發(fā)揮，而市場(chǎng)上大多數(shù)所謂石墨烯正是這兩種產(chǎn)品。

石墨烯的物理性質(zhì)對(duì)堆疊層數(shù)非常敏感。層數(shù)越少，晶體尺寸越大，堆疊越接近單層石墨烯。因此，堆疊層數(shù)是對(duì)石墨烯定義的一個(gè)關(guān)鍵因素。從物理角度來(lái)看，這些定義相當(dāng)隨意，到現(xiàn)在由于石墨烯缺乏標(biāo)準(zhǔn)，在市場(chǎng)上銷(xiāo)售的材料質(zhì)量差，一直阻礙了石墨烯應(yīng)用的發(fā)展。作者認(rèn)為標(biāo)準(zhǔn)可以公平的比較來(lái)自不同生產(chǎn)商的材料的質(zhì)量，并為買(mǎi)家提供可靠的產(chǎn)品。進(jìn)而形成良性循環(huán)，加快石墨烯的應(yīng)用發(fā)展。

石墨烯的發(fā)展才剛剛起步，而統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)將是其真正走向應(yīng)用的關(guān)鍵性一步。[1]

【更多訊息】

近日，劉忠范院士和彭海琳教授在AdvancedMaterials發(fā)表了利用化學(xué)氣相沉積(CVD)法大規(guī)模制備石墨烯膜的綜述文章，歡迎關(guān)注![2]

CVD法由于其優(yōu)良的可控性和可拓展性，被認(rèn)為是制備大面積高質(zhì)量石墨烯薄膜的有效方法。為了控制石墨烯的生長(zhǎng)以獲得尺寸區(qū)域大、碳層均勻、生長(zhǎng)快速和合成溫度低的石墨烯，科研界和工業(yè)界已經(jīng)做出了很大的努力?？茖W(xué)界和初創(chuàng)公司都在嘗試大規(guī)模生產(chǎn)，然而，在實(shí)驗(yàn)室規(guī)模和工業(yè)規(guī)模上所合成的石墨烯質(zhì)量有很大差異。文章綜述了近年來(lái)CVD石墨烯薄膜大規(guī)模生產(chǎn)的進(jìn)展，包括制造工藝、設(shè)備和關(guān)鍵工藝參數(shù)。此外，還討論了石墨烯薄膜的大規(guī)模生產(chǎn)均勻性和快速表征方法，這對(duì)于批量生產(chǎn)中的質(zhì)量控制至關(guān)重要。

【參考文獻(xiàn)】[1]AlanP.Kauling,AndressaT.Seefeldt,DiegoP.Pisoni,RoshiniC.Pradeep,RicardoBentini,RicardoV.B.Oliveira,KonstantinS.Novoselov,AntonioH.CastroNeto,TheWorldwideGrapheneFlakeProduction,AdvancedMaterials,2018,DOI:10.1002/adma.201803784

[2]BingDeng,ZhongfanLiuandHailinPeng,TowardMassProductionofCVDGrapheneFilms,AdvancedMaterials,DOI:10.1002/adma.201800996