淺談石墨烯制備與應(yīng)用十大研究進(jìn)展

石墨烯具有廣闊的應(yīng)用空間與巨大的經(jīng)濟(jì)價值。目前國內(nèi)外對石墨烯技術(shù)的應(yīng)用研究如火如荼，研究熱點主要集中在石墨烯制備、儲能、傳感器、生物醫(yī)學(xué)等方面。以下為2021年石墨烯制備與應(yīng)用十大研究進(jìn)展。

1. 韓國研發(fā)單晶大面積無褶皺單層石墨烯

2021年8月，韓國基礎(chǔ)科學(xué)研究所（IBS）研發(fā)出單晶大面積無褶皺無吸附層單層石墨烯。為了消除褶皺，研究團(tuán)隊基于自制銅鎳箔，在1000K和1030K溫度下利用化學(xué)氣相沉積法（CVD），在氬氣流中使用乙烯與氫氣的混合物生長石墨烯，獲得大面積、無褶皺、無吸附層的單晶石墨烯薄膜。這種均勻無褶皺的石墨烯可更快地攜帶電荷，比硅快七倍，比現(xiàn)有石墨烯快三倍，為制造半導(dǎo)體、顯示器和太陽能電池產(chǎn)品等領(lǐng)域和行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步鋪平道路。

2. 英國實現(xiàn)連續(xù)大規(guī)模生產(chǎn)石墨烯

2021年3月，倫敦帝國理工學(xué)院和伯明翰大學(xué)研發(fā)出實時監(jiān)控大規(guī)模生產(chǎn)石墨烯的新技術(shù)，為可控和可定制的石墨烯批量生產(chǎn)提供途徑。研究人員結(jié)合流體動力學(xué)、數(shù)值模擬和材料表征，使用自上而下的生產(chǎn)方法，促使制造商能夠控制生產(chǎn)的石墨烯的原子層數(shù)，從而能夠?qū)崟r監(jiān)控質(zhì)量和生產(chǎn)速度。新技術(shù)使用綠色溶劑，且可用于制造其他二維材料。

3. 空客提交可防雷擊的功能化石墨烯增強(qiáng)預(yù)浸料專利申請

2021年8月，全球先進(jìn)材料集團(tuán)Haydale宣布與空客公司共享一系列可防止雷擊的石墨烯增強(qiáng)預(yù)浸料的知識產(chǎn)權(quán)，空客公司為該技術(shù)提交了聯(lián)合專利申請。與現(xiàn)有的碳/環(huán)氧樹脂系統(tǒng)相比，功能化石墨烯/2D填料的加入有助于抗雷擊性能顯著的復(fù)合材料的迭代生產(chǎn)，從而減輕對銅網(wǎng)的需求。材料研發(fā)獲得了英國國家航空航天探索計劃（NATEP）防雷擊石墨烯復(fù)合材料（GraCELs2）項目支持。Haydale首席執(zhí)行官Keith Broadbent表示期待將新技術(shù)添加到功能化母粒產(chǎn)品中，以進(jìn)一步提高該系列產(chǎn)品的性能。

4. 新型石墨烯氣凝膠可用作飛機(jī)隔音材料

2021年6月，英國巴斯大學(xué)開發(fā)出每立方米僅重2.1千克的氧化石墨烯-聚乙烯醇?xì)饽z，其成為有史以來最輕的飛機(jī)隔音材料。在400-2500Hz范圍內(nèi)，平均吸聲系數(shù)高達(dá)0.79，平均聲傳輸損失可達(dá)15.8dB。氣凝膠用作飛機(jī)發(fā)動機(jī)內(nèi)的隔音材料，可將噴氣發(fā)動機(jī)起飛時產(chǎn)生的105分貝轟鳴聲降至類似吹風(fēng)機(jī)的聲音。研究人員將優(yōu)化該材料，以提供更好的散熱效果，提高燃油效率和安全性。該材料還可用于制造直升機(jī)或汽車發(fā)動機(jī)中的面板。

5. 東麗開發(fā)具有極佳流動性的石墨烯分散液

2021年3月，日本東麗公司開發(fā)超薄多層石墨烯分散液，具有極佳流動性、導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性。研究人員通過添加獨特的聚合物材料來控制粘度，抑制石墨烯之間相互作用引起的聚集，獲得了具有高流動性的高濃度超薄石墨烯分散液。新材料具有高分散性、易于混合，可作為鋰離子電池的導(dǎo)電材料，易于與陰極材料混合以提高導(dǎo)電性，降低反復(fù)充放電過程中的容量損失，相比目前電動汽車電池通常采用的碳納米管導(dǎo)電劑，電池壽命延長了50%。

6. 石墨烯旗艦啟動GrEEnBat項目以改進(jìn)電動汽車的電池技術(shù)

2021年4月，石墨烯旗艦（Graphene Flagship）計劃啟動“用于汽車應(yīng)用的石墨烯高能電池”（GrEEnBat）新項目，旨在改進(jìn)電動汽車的電池技術(shù)。該項目為期三年，將創(chuàng)建由60到90個純電動汽車電池組成的汽車電池模塊原型。電池的負(fù)極是創(chuàng)新的核心，由早期石墨烯旗艦研究項目中開發(fā)的硅-石墨烯復(fù)合材料組成。結(jié)合獲得專利的石墨烯制造技術(shù)，石墨烯旗艦工業(yè)合作伙伴將實現(xiàn)模塊原型在1000次循環(huán)后容量保持80%，意味著總行駛里程可達(dá)45萬公里。

7. 美國開發(fā)低成本石墨烯增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料

2021年9月，美國Mag7 Technologies公司開發(fā)了由聚合物衍生的石墨烯增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料（CMC）——CeraGraphe，并已開始為其提供技術(shù)許可。這種陶瓷-石墨烯漿料適用于各種CMC應(yīng)用，特別是在極高溫情況下。石墨烯增強(qiáng)的CMC零件，如陶瓷制動器和螺栓，不僅耐熱性好，而且結(jié)構(gòu)完整性高，解決因磨損而需要經(jīng)常更換的傳統(tǒng)問題。Mag7 Technologies通過原位工藝從較便宜的石墨中提取出石墨烯，然后將所得石墨烯均勻地分散在復(fù)合材料中，并在整個基體中與陶瓷前體共價結(jié)合，因此CeraGraphe相對便宜且適應(yīng)性強(qiáng)，可應(yīng)用于任何陶瓷前體聚合物，例如聚硅氮烷。

8. 石墨烯“熱開關(guān)”可動態(tài)調(diào)節(jié)電子設(shè)備熱量

配備鋰離子電池的現(xiàn)代設(shè)備在極熱或極冷環(huán)境下很容易出現(xiàn)故障或性能低下。2021年8月，美國普渡大學(xué)工程師開發(fā)出可壓縮石墨烯泡沫制成的“熱開關(guān)”，根據(jù)設(shè)備內(nèi)外部溫度進(jìn)行動態(tài)調(diào)整，以保持一致的熱管理。石墨烯泡沫由特定模式沉積的納米級碳顆粒構(gòu)成，中間有小空隙。當(dāng)泡沫未壓縮時，可充當(dāng)絕緣體，氣穴將熱量保持在原位。但是當(dāng)泡沫被物理壓縮時，空氣逸出，更多的熱量通過泡沫傳導(dǎo)出去。根據(jù)泡沫的壓縮程度，可精確調(diào)整傳熱量。這種動態(tài)熱管理形式的潛在應(yīng)用不僅僅是手機(jī)，還可用于電動汽車電池、航天器和生物醫(yī)學(xué)設(shè)備等。

9. 石墨烯助力電磁干擾屏蔽

2021年8月，希臘赫拉斯研究所（FORTH）、帕特雷大學(xué)研究人員將厘米級單層石墨烯作為增強(qiáng)材料摻入聚合物納米層壓板，開發(fā)出有效的電磁干擾（EMI）屏蔽產(chǎn)品。通過化學(xué)氣相沉積（CVD）技術(shù)生產(chǎn)的大尺寸單層石墨烯具有較大的橫向尺寸，且聚合物和石墨烯交替層均勻可控分散，確保有效的應(yīng)力轉(zhuǎn)移，克服納米顆粒填料的高填充需求缺點。研究人員采用半自動工藝生產(chǎn)厘米級CVD石墨烯/聚合物納米層壓板，薄層壓材料在太赫茲范圍內(nèi)顯示出非常高的電磁干擾（EMI）屏蔽效率，在33μm的厚度下達(dá)到60dB，每單位的絕對EMI屏蔽效率在合成非金屬材料中名列前茅。這些具有卓越性能的納米層壓材料適用于航空航天、汽車以及許多電子應(yīng)用。

10. 拉伸改變石墨烯電子特性為新型傳感器開路

2021年6月，瑞士巴賽爾大學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，均勻拉伸可以改變石墨烯的電子特性。研究人員在兩層氮化硼間放置一層石墨烯，隨后使用楔子從下方向架子中心施力，以控制拉伸整個石墨烯層。而后研究人員通過光學(xué)法校準(zhǔn)石墨烯的拉伸，在-269℃下使用電傳輸測量拉伸后的電子特性。研究結(jié)果表明，均勻拉伸改變原子核之間的距離，從而改變石墨烯電子態(tài)的特性。這項研究將促進(jìn)新型傳感器和晶體管的開發(fā)。

編輯：黃飛

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