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由石墨烯与石墨的辩证逻辑关系到新发展机遇的思考 精选

已有 9875 次阅读 2016-8-16 10:06 |系统分类:科研笔记

应新媒体“石墨邦”刘荣华先生的邀请特撰写此文——


2010年的诺贝尔物理学奖授予了安德烈·盖姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫,因他们成功从石墨中分离出石墨烯,证实它可以单独存在,并阐释其许多卓越的物理和化学性质。至此,关于石墨烯的基础研究和应用技术开发在学界和产业界(两界)得到了空前发展,石墨烯概念被两界热炒,甚至很多专业人士也达到头脑发热之状态。石墨烯概念被滥用已严重阻碍了两界的健康发展,迫切需要一些醍醐灌顶的回头再思考。

一、什么是石墨烯?

完美的石墨具有完整的层状解理特性,可以按层剥离,当剥离到仅有一层时得到的物质称为石墨烯。反过来,当把石墨烯按照层状一层层有序堆叠起来时得到的物质就是石墨。这样看来,石墨烯是石墨的基本结构单元,是单原子层厚度的石墨。因此,石墨烯应该是有严格定义的,是由一个碳原子与周边另外三个碳原子以共价键结合,形成多个六边形有序拼接构成的共价分子,是单原子层厚度的有序二维晶体。在热炒石墨烯概念中,往往只强调了“单层”,而忽略了“有序”(即晶体学上的“单晶”概念)。例如,当前CVD法制备的“石墨烯”,其可以得到单层,但在很多位置上会发生碳原子的错排或漏排,形成晶体学上的晶界或点缺陷,也就不能满足“有序”条件,致使其导电性能与盖姆等得到的真正石墨烯相差好几个数量级,如果非得冠以它高大上的名字,这种“石墨烯”也必须加上前缀称为“乱排石墨烯”。

二、本姓石墨不好吗?

从纳米科学的常识来看,石墨在厚度方向上减薄到一定的纳米尺度,可以预见的是会在某一个或几个方面的性能上发生急剧的变化,即从量变到质变的过程。石墨烯是纳米厚度石墨的极端变化情况,在多方面性能上相比于它的“父亲”石墨发生质的变化,但无论变化多么巨大,它的“基因”来自于石墨。因此,石墨烯本姓“石墨”,“烯”为名。至于两界试图用层数来定义的“少层石墨烯”和“多层石墨烯”,大有改姓换面之嫌,尤其在层数和构效关系尚不完全清楚之前(这才是学术界应该重点解决的问题)。除了极为特殊的单原子层厚度(属于基本结构单元),其它厚度的应该统一称为纳米厚度石墨,并像其它纳米材料那样,按照标准给出纳米尺度和分布。

三、如何得到各种二维尺度的石墨烯和纳米厚度石墨?

要得到各种二维尺度的石墨烯和纳米厚度石墨,还是要看看它的“父亲”石墨家族能否有这样的“基因”。在二维尺度上达到厘米以上的石墨晶体自然界是不存在的,因而想通过剥离得到这种尺度的石墨烯是不可能的,只能通过诸如CVD法去人工合成,但不幸的是难度极大,各种缺陷似乎难以避免。天然石墨(鳞片石墨)的层状有序结构可以达到毫米,微晶石墨(土状石墨)的乱层石墨结构可以达到亚微米~微米,碳纤维的乱层石墨结构可以达到几~十几纳米,因此,采取有效的剥离方法可以得到石墨烯和纳米厚度石墨的毫米、微米、亚微米和纳米级片径,后者就是通常称为的石墨烯量子点和碳量子点。换个思路,能否由上述小片径的,通过有效的组装方法得到大二维尺度的石墨烯和纳米厚度石墨呢?在我看来似乎有这种可能,尽管难度也不小。

四、石墨烯概念加速纳米厚度石墨粉体制备技术的发展与应用

以往为提高石墨粉体的分散性能,发展了超细和纳米石墨制备技术,例如采用球磨制备胶体石墨,但主要目的是为了减少片径,而往往忽略了厚度的影响。石墨烯概念的提出,使得人们发现石墨厚度会对其性能产生诸多影响,于是各种以制备石墨烯粉体为目的的技术方法被开发,包括还原氧化石墨烯法、电化学剥离法、液相剥离法、高能物理剥离法等,它们虽然不能得到严格意义上的石墨烯,但催生了一系列具有厚度为纳米尺度的超薄石墨粉体的诞生,而且展现出许多相较于常规石墨更为优越的物理和化学性能,例如高的导电性和导热性、高比表面积、丰富的可修饰化学官能团和卓越的可加工分散性能。在应用上,要根据所得到的纳米厚度石墨粉体自身性能优势(片径、厚度、结构缺陷和官能团所导致的性能差异),找到适合的应用场所,解决市场痛点问题是这一新材料获得颠覆性应用的关键。

总之,不刻意跟风,不刻意炒作石墨烯概念,务实在各种纳米厚度石墨的理论基础、性能研究和应用特性开发上,包括石墨烯在内的纳米厚度石墨一定会迎来广阔的应用空间,对此我很有信心。以上只是我进入石墨烯领域2年来一点点的个人体会,肯定会存在很多不足甚至是错误的认识,没关系,认识是在不断发展的,希望能得到你们的理解、包容和鼓励。




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