摘要：原子級別厚度的石墨烯，比表面積高，而且具有優異的化學穩定性和出色的電導率、熱導率，因此，可以將石墨烯集成到儲能電池，超級電容器以及產氫和儲氫設備中，為應對日益增長的全球能源消耗提供了機會。

十多年前，單層石墨烯憑借特殊的物理性能，從一眾材料種脫穎而出，成為研究的熱點。這種具有原子級厚度的二維(2D)材料，表現出優異的導電性、機械強度、光學透明性和抗滲性，有望實現許多應用。目前，石墨烯的生產能力已達到每年數千噸，實驗室開發出的各種石墨烯技術也已得到部分應用，比如體育用品、汽車涂料、導電油墨和觸摸屏等。盡管石墨烯材料的質量把控仍是一個不小的挑戰，但是科研工作者對石墨烯的理解一直在不斷深入，這無疑會推動石墨烯的商業化。在本文中，麻省理工學院機械工程系Jeehwan Kim教授課題組綜述討論了過去十年中石墨烯的商業化進展，以及未來的前景。

石墨烯合成和商業化進展

Fig. 1 過去十年里，石墨烯合成和商業化進展的里程碑.

在最早的時候，石墨烯在體育用品和防腐涂料中獲得了商業上的成功，起著添加劑的作用。隨著人們對石墨烯在原子厚度材料方面的電學和光學性質認識的不斷加深，石墨烯在商業電子學和光電子領域的研究也越來越深入。

石墨烯納米片

石墨烯納米片(GNP)，是指通過石墨剝離產生的石墨烯材料，該過程可產生任意形狀和橫向尺寸的石墨烯，數量級可從數百納米到幾十微米。氧化石墨烯是GNP被含氧基團官能化后的形式，該過程首先在強酸和氧化劑種將石墨氧化;然后通過超聲處理形成氧化石墨烯，在水溶液中形成納米片分散液。鑒于石墨的高豐度和剝落效率，該工藝被證明為適合批量生產的方法之一。

Fig. 2 石墨烯原料的批量生產.

此外，隨著液相剝離(LPE)的進一步發展，我們可以在溶劑中通過剪切應力，將石墨直接變成成石墨烯(圖2a和2b)。選擇具有最佳表面張力的溶劑，對于石墨烯的有效剝離和穩定分散至關重要。與直接機械剝離相比，LPE產生的GNP具有明顯減少的結構缺陷。通過生產率分析，也顯示該方法具有擴大工業生產的潛力(圖2c)。

連續石墨烯片

通過自下而上的策略，比如使用烴前體進行化學氣相沉積(CVD)，也可以合成連續的石墨烯片。最近，多個課題組展示了用于石墨烯合成的卷對卷CVD工藝，實現了高質量CVD石墨烯的制備，其D和G譜帶的拉曼峰強度比(ID/ IG)低至0.065，生長速率高達5cm min-1(圖2d)。

石墨烯衍生物和復合材料

Fig. 3 石墨烯在復合材料、能源和環境中的應用.

由于出色的機械強度和導電/導熱性，石墨烯常常被用作復合材料中的填充材料。將分散的GNP過濾干燥，可以制備出自支撐的薄膜材料，即石墨烯紙(圖3a和3b)。石墨烯紙中的GNP形成了一個獨特的層結構，層與層相互平行聯結在一起，可有效地分配載荷。石墨烯紙的楊氏模量和斷裂強度優于其他紙狀材料，例如巴基紙或石墨Foil等。此外，通過紡絲法，可以將GNP制成纖維，與常規生產合成纖維的過程類似(圖3c，d)。石墨烯纖維內部結構類似于石墨烯紙，形成相互連接的網格。石墨烯纖維是柔性的，在斷裂之前可以承受極高的伸長率。

由于石墨烯具有高表面積、抗張強度、導熱性和導電性，因此，將GNPs用作復合材料中的填充劑，受到了人們的廣泛關注。在聚合物，金屬或陶瓷基質中混合少量GNP，可以顯著提高復合材料的機械、電和熱性能。目前，正在開發的商業應用有輕型體育用品，飛機電磁屏蔽罩，阻燃塑料和3D打印燈絲等，將來還有望用于印刷柔性電子產品的油墨(圖3e)。此外，石墨烯的化學惰性和特殊層狀結構也可用于防腐。

在能源與環境中的應用

原子級別厚度的石墨烯，比表面積高，而且具有優異的化學穩定性和出色的電導率、熱導率，因此，可以將石墨烯集成到儲能電池，超級電容器以及產氫和儲氫設備中，為應對日益增長的全球能源消耗提供了機會。

石墨烯在環境中的新興應用是分子或離子過濾。GNP膜可以作為滲透分子或離子的選擇性屏障。通過將GNP逐層堆疊，可以在各層之間形成波紋狀的納米通道。此外，單層石墨烯片也可以實現水過濾，用于高能效的水脫鹽和氣體過濾(圖3f)。

在電子產品中的應用

Fig. 4 石墨烯在電子學和光電子學中的應用.

在過去的十年中，基于石墨烯的射頻場效應晶體管(FET)取得了長足進步，該晶體管在相同的柵極長度下，達到100 GHz的截止頻率(fT)。經過改進后，fT達到了427 GHz。另一方面，由于與有機殘留物相關的高接觸電阻，石墨烯FET的最大振蕩頻率一直低于30 GHz。最近，通過無殘留工藝優化了接觸電阻之后，最大振蕩頻率已超過200 GHz。

石墨烯的卓越性能在光電學中也獲得了廣泛的應用，包括光學傳感器，偏振器，可飽和吸收體等，有可能集成在下一代通信系統的光子電路中。可以利用石墨烯層壓波導中與偏振有關的強光吸收，來實現集成的偏振器，而寬帶吸收特性也有助于在所有光通信頻段上進行光檢測。

商業化的挑戰

Fig. 5 石墨烯材料缺陷最小化的研究進展.

目前，在減少石墨烯納米片固有缺陷方面的研究也已取得一些進展。與典型的低于1,500 K的退火溫度相比，可以通過微波加熱或將退火溫度提高到3,100 K，使碳骨架上的結構缺陷得到了進一步修復，在拉曼光譜中的D峰幾乎完全消失表示。另一方面，通過使用定義明確的金屬基板，可以縮減連續片材石墨烯在厚度和晶界方面的不均勻性。結果發現，由于對稱匹配，單晶(111)Cu提供了比多晶或(100)Cu更好的石墨烯成核表面，從而產生了高度取向的石墨烯，并在整個表面上提高了厚度均勻性。

展望與結論

為了使石墨烯成為行業里有前景的材料，必須付出巨大的努力，以降低成本。像其它任何需要商業化的新材料一樣，石墨烯必須首先在制造和功能方面與現有技術兼容，才能滲透到市場中。另一方面，是否能夠利用石墨烯的特殊性能，對成功進行商業化市場至關重要。對石墨烯的基礎研究目前仍在進行中，對石墨烯的深入了解和當今實驗室的一些新發現，必將在不遠的將來為石墨烯的商業產品創造新市場。

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