石墨烯制備與應用十大研究進發(fā)展

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

1. 韓國研發(fā)單晶大面積無褶皺單層石墨烯

2021年8月，韓國基礎科學研究所（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，研究團隊基于自制銅鎳箔，在1000K和1030K溫度下利用化學氣相沉積法（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，為制造半導體、顯示器和太陽能電池產(chǎn)品等領域和行業(yè)的技術進步鋪平道路。

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

2021年3月，倫敦帝國理工學院和伯明翰大學研發(fā)出實時監(jiān)控大規(guī)模生產(chǎn)石墨烯的新技術，為可控和可定制的石墨烯批量生產(chǎn)提供途徑。研究人員結合流體動力學、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)，從而能夠實時監(jiān)控質量和生產(chǎn)速度。新技術使用綠色溶劑，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預浸料專利申請

2021年8月，全球先進材料集團Haydale宣布與空客公司共享一系列可防止雷擊的石墨烯增強預浸料的知識產(chǎn)權，空客公司為該技術提交了聯(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表示期待將新技術添加到功能化母粒產(chǎn)品中，以進一步提高該系列產(chǎn)品的性能。

4. 新型石墨烯氣凝膠可用作飛機隔音材料

2021年6月，英國巴斯大學開發(fā)出每立方米僅重2.1千克的氧化石墨烯-聚乙烯醇氣凝膠，其成為有史以來最輕的飛機隔音材料。在400-2500Hz范圍內，平均吸聲系數(shù)高達0.79，平均聲傳輸損失可達15.8dB。氣凝膠用作飛機發(fā)動機內的隔音材料，可將噴氣發(fā)動機起飛時產(chǎn)生的105分貝轟鳴聲降至類似吹風機的聲音。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或汽車發(fā)動機中的面板。

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、導電性和導熱性。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電材料，易于與陰極材料混合以提高導電性，降低反復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電劑，電池壽命延長了50%。

6. 石墨烯旗艦啟動GrEEnBat項目以改進電動汽車的電池技術

2021年4月，石墨烯旗艦（Graphene Flagship）計劃啟動“用于汽車應用的石墨烯高能電池”（GrEEnBat）新項目，旨在改進電動汽車的電池技術。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-石墨烯復合材料組成。結合獲得專利的石墨烯制造技術，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45萬公里。

7. 美國開發(fā)低成本石墨烯增強陶瓷基復合材料

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陶瓷基復合材料（CMC）——CeraGraphe，并已開始為其提供技術許可。這種陶瓷-石墨烯漿料適用于各種CMC應用，特別是在極高溫情況下。石墨烯增強的CMC零件，如陶瓷制動器和螺栓，不僅耐熱性好，而且結構完整性高，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合材料中，并在整個基體中與陶瓷前體共價結合，因此CeraGraphe相對便宜且適應性強，可應用于任何陶瓷前體聚合物，例如聚硅氮烷。

8. 石墨烯“熱開關”可動態(tài)調節(jié)電子設備熱量

配備鋰離子電池的現(xiàn)代設備在極熱或極冷環(huán)境下很容易出現(xiàn)故障或性能低下。2021年8月，美國普渡大學工程師開發(fā)出可壓縮石墨烯泡沫制成的“熱開關”，根據(jù)設備內外部溫度進行動態(tài)調整，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成，中間有小空隙。當泡沫未壓縮時，可充當絕緣體，氣穴將熱量保持在原位。但是當泡沫被物理壓縮時，空氣逸出，更多的熱量通過泡沫傳導出去。根據(jù)泡沫的壓縮程度，可精確調整傳熱量。這種動態(tài)熱管理形式的潛在應用不僅僅是手機，還可用于電動汽車電池、航天器和生物醫(yī)學設備等。

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）、帕特雷大學研究人員將厘米級單層石墨烯作為增強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。通過化學氣相沉積（CVD）技術生產(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，確保有效的應力轉移，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顯示出非常高的電磁干擾（EMI）屏蔽效率，在33μm的厚度下達到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法校準石墨烯的拉伸，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。這項研究將促進新型傳感器和晶體管的開發(fā)。

審核編輯 ：李倩