劉忠範和彭海琳課題組在Nature Materials發表綜述:石墨烯製備決定...

2020-11-25 北大新聞網

2019/06/07 信息來源： 化學與分子工程學院

編輯：白楊 | 責編：凌薇

最近，劉忠範課題組和彭海琳課題組應邀在國際著名刊物《自然-材料》（Nature Materials)上發表題為「石墨烯產業化-製備決定未來」的綜述文章「Synthesis Challenges for Graphene Industry. Li Lin, Hailin Peng*, Zhongfan Liu*, Nature Materials 2019, 18, 520」，從石墨烯產業化的現狀和存在的問題等方面進行了深入的探討分析，並提出了「標號」石墨烯的概念和石墨烯未來可能的「殺手鐧」級應用。

過去的十幾年，石墨烯研究和產業化進步飛速，然而石墨烯產業化仍然面臨諸多挑戰和問題。面向石墨烯產業化應用的製備技術不是對實驗室製備過程的簡單放大，規模化製備對製備技術的可重複性、安全性和成本等都提出了更高的要求。儘管從產能上看石墨烯的粉體和薄膜均實現了宏量化製備。然而，石墨烯產品的生長工藝、原材料、設備甚至生產批次的不同，得到的產品質量和性能參差不齊，且很難達到統一的標準。以史為鑑，參考另一類戰略性碳材料——碳纖維的產業發展歷程可知，材料的品質決定了其應用前途。最初研發的碳纖維只能用於釣魚竿等，而今高端碳纖維材料在航天航空領域佔據不可替代的位置，這正是碳纖維的規模化製備技術和材料品質的不斷提升，推動了碳纖維在高端領域的廣泛應用。石墨烯產業只有努力紮根於材料製備，解決高品質材料的規模化製備問題，才有美好的應用未來。

近十年來，北京大學劉忠範課題組和彭海琳課題組在石墨烯的化學氣相沉積（CVD）製備及應用取得了一系列重要進展。針對高品質石墨烯薄膜的CVD製備，課題組發展了多種石墨烯CVD生長方法，對其疇區尺寸、層數、潔淨度、摻雜和生長速度進行了精確調控，並率先實現了4英寸無褶皺石墨烯單晶晶圓、大面積超潔淨石墨烯薄膜的製備、石墨烯薄膜連續批量製備和綠色無損轉移，並研製了超級石墨烯玻璃和石墨烯基LED器件。上述一系列創新性研究成果有助於突破高品質石墨烯薄膜的製備技術瓶頸及探索其高端應用技術，將促使石墨烯薄膜材料和產業實現理性和良性可持續發展。

文章指出，石墨烯市場亟需標準化。石墨烯標號規則應涉及石墨烯的基本結構（晶疇尺寸、層數、平整度、純度、摻雜度等）和內稟性質（遷移率、電導率、透光率、功函數、熱導率等）等。材料製備和應用探索的努力方向是材料的一體化。即石墨烯與其他材料複合，利用石墨烯的附加功能，實現功能的一體化，這也是通向石墨烯「殺手鐧」級應用的途徑之一。從石墨烯的發現至今才十多年，這說明石墨烯還有很多可以提升和努力的空間，也告訴我們石墨烯的產業化不是一朝一夕可以實現的。製備決定未來，只有在石墨烯製備上不斷精進，我們才會迎來石墨烯產業的朝陽時代。

綜述文章配圖

以上綜述文章的通訊作者為劉忠範教授和彭海琳教授，第一作者為林立博士。該系列工作得到了國家自然科學基金委、科技部國家重點研究計劃、北京市科委項目的大力支持。

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