浅谈石墨烯制备与应用十大研究进展

石墨烯具有广阔的应用空间与巨大的经济价值。目前国内外对石墨烯技术的应用研究如火如荼，研究热点主要集中在石墨烯制备、储能、传感器、生物医学等方面。以下为2021年石墨烯制备与应用十大研究进展。

1. 韩国研发单晶大面积无褶皱单层石墨烯

2021年8月，韩国基础科学研究所（IBS）研发出单晶大面积无褶皱无吸附层单层石墨烯。为了消除褶皱，研究团队基于自制铜镍箔，在1000K和1030K温度下利用化学气相沉积法（CVD），在氩气流中使用乙烯与氢气的混合物生长石墨烯，获得大面积、无褶皱、无吸附层的单晶石墨烯薄膜。这种均匀无褶皱的石墨烯可更快地携带电荷，比硅快七倍，比现有石墨烯快三倍，为制造半导体、显示器和太阳能电池产品等领域和行业的技术进步铺平道路。

2. 英国实现连续大规模生产石墨烯

2021年3月，伦敦帝国理工学院和伯明翰大学研发出实时监控大规模生产石墨烯的新技术，为可控和可定制的石墨烯批量生产提供途径。研究人员结合流体动力学、数值模拟和材料表征，使用自上而下的生产方法，促使制造商能够控制生产的石墨烯的原子层数，从而能够实时监控质量和生产速度。新技术使用绿色溶剂，且可用于制造其他二维材料。

3. 空客提交可防雷击的功能化石墨烯增强预浸料专利申请

2021年8月，全球先进材料集团Haydale宣布与空客公司共享一系列可防止雷击的石墨烯增强预浸料的知识产权，空客公司为该技术提交了联合专利申请。与现有的碳/环氧树脂系统相比，功能化石墨烯/2D填料的加入有助于抗雷击性能显著的复合材料的迭代生产，从而减轻对铜网的需求。材料研发获得了英国国家航空航天探索计划（NATEP）防雷击石墨烯复合材料（GraCELs2）项目支持。Haydale首席执行官Keith Broadbent表示期待将新技术添加到功能化母粒产品中，以进一步提高该系列产品的性能。

4. 新型石墨烯气凝胶可用作飞机隔音材料

2021年6月，英国巴斯大学开发出每立方米仅重2.1千克的氧化石墨烯-聚乙烯醇气凝胶，其成为有史以来最轻的飞机隔音材料。在400-2500Hz范围内，平均吸声系数高达0.79，平均声传输损失可达15.8dB。气凝胶用作飞机发动机内的隔音材料，可将喷气发动机起飞时产生的105分贝轰鸣声降至类似吹风机的声音。研究人员将优化该材料，以提供更好的散热效果，提高燃油效率和安全性。该材料还可用于制造直升机或汽车发动机中的面板。

5. 东丽开发具有极佳流动性的石墨烯分散液

2021年3月，日本东丽公司开发超薄多层石墨烯分散液，具有极佳流动性、导电性和导热性。研究人员通过添加独特的聚合物材料来控制粘度，抑制石墨烯之间相互作用引起的聚集，获得了具有高流动性的高浓度超薄石墨烯分散液。新材料具有高分散性、易于混合，可作为锂离子电池的导电材料，易于与阴极材料混合以提高导电性，降低反复充放电过程中的容量损失，相比目前电动汽车电池通常采用的碳纳米管导电剂，电池寿命延长了50%。

6. 石墨烯旗舰启动GrEEnBat项目以改进电动汽车的电池技术

2021年4月，石墨烯旗舰（Graphene Flagship）计划启动“用于汽车应用的石墨烯高能电池”（GrEEnBat）新项目，旨在改进电动汽车的电池技术。该项目为期三年，将创建由60到90个纯电动汽车电池组成的汽车电池模块原型。电池的负极是创新的核心，由早期石墨烯旗舰研究项目中开发的硅-石墨烯复合材料组成。结合获得专利的石墨烯制造技术，石墨烯旗舰工业合作伙伴将实现模块原型在1000次循环后容量保持80%，意味着总行驶里程可达45万公里。

7. 美国开发低成本石墨烯增强陶瓷基复合材料

2021年9月，美国Mag7 Technologies公司开发了由聚合物衍生的石墨烯增强陶瓷基复合材料（CMC）——CeraGraphe，并已开始为其提供技术许可。这种陶瓷-石墨烯浆料适用于各种CMC应用，特别是在极高温情况下。石墨烯增强的CMC零件，如陶瓷制动器和螺栓，不仅耐热性好，而且结构完整性高，解决因磨损而需要经常更换的传统问题。Mag7 Technologies通过原位工艺从较便宜的石墨中提取出石墨烯，然后将所得石墨烯均匀地分散在复合材料中，并在整个基体中与陶瓷前体共价结合，因此CeraGraphe相对便宜且适应性强，可应用于任何陶瓷前体聚合物，例如聚硅氮烷。

8. 石墨烯“热开关”可动态调节电子设备热量

配备锂离子电池的现代设备在极热或极冷环境下很容易出现故障或性能低下。2021年8月，美国普渡大学工程师开发出可压缩石墨烯泡沫制成的“热开关”，根据设备内外部温度进行动态调整，以保持一致的热管理。石墨烯泡沫由特定模式沉积的纳米级碳颗粒构成，中间有小空隙。当泡沫未压缩时，可充当绝缘体，气穴将热量保持在原位。但是当泡沫被物理压缩时，空气逸出，更多的热量通过泡沫传导出去。根据泡沫的压缩程度，可精确调整传热量。这种动态热管理形式的潜在应用不仅仅是手机，还可用于电动汽车电池、航天器和生物医学设备等。

9. 石墨烯助力电磁干扰屏蔽

2021年8月，希腊赫拉斯研究所（FORTH）、帕特雷大学研究人员将厘米级单层石墨烯作为增强材料掺入聚合物纳米层压板，开发出有效的电磁干扰（EMI）屏蔽产品。通过化学气相沉积（CVD）技术生产的大尺寸单层石墨烯具有较大的横向尺寸，且聚合物和石墨烯交替层均匀可控分散，确保有效的应力转移，克服纳米颗粒填料的高填充需求缺点。研究人员采用半自动工艺生产厘米级CVD石墨烯/聚合物纳米层压板，薄层压材料在太赫兹范围内显示出非常高的电磁干扰（EMI）屏蔽效率，在33μm的厚度下达到60dB，每单位的绝对EMI屏蔽效率在合成非金属材料中名列前茅。这些具有卓越性能的纳米层压材料适用于航空航天、汽车以及许多电子应用。

10. 拉伸改变石墨烯电子特性为新型传感器开路

2021年6月，瑞士巴赛尔大学研究发现，均匀拉伸可以改变石墨烯的电子特性。研究人员在两层氮化硼间放置一层石墨烯，随后使用楔子从下方向架子中心施力，以控制拉伸整个石墨烯层。而后研究人员通过光学法校准石墨烯的拉伸，在-269℃下使用电传输测量拉伸后的电子特性。研究结果表明，均匀拉伸改变原子核之间的距离，从而改变石墨烯电子态的特性。这项研究将促进新型传感器和晶体管的开发。

编辑：黄飞