艾德思：Nature Materials综述石墨烯制备决定产业化未来

过去的十几年石墨烯研究和产业化进步飞速,然而石墨烯产业化仍然面临诸多挑战和问题.面向石墨烯产业化应用的制备技术不是对实验室制备过程的简单放大,规模化制备对制备技术的可重复性/安全性和成本等都提出了更高的要求.尽管从产能上看石墨烯的粉体和薄膜均实现了宏量化制备.然而,石墨烯产品的生长工艺/原材料/设备甚至生产批次的不同,得到的产品质量和性能参差不齐,且很难达到统一的标准.以史为鉴,参考另一类战略性碳材料——碳纤维的产业发展历程可知,材料的品质决定了其应用前途.最初研发的碳纤维只能用于钓鱼竿等,而今高端碳纤维材料在航天航空领域占据不可替代的位置,这正是碳纤维的规模化制备技术和材料品质的不断提升,推动了碳纤维在高端领域的广泛应用.石墨烯产业只有努力扎根于材料制备,解决高品质材料的规模化制备问题,才有美好的应用未来.

近十年来,北京大学刘忠范课题组和彭海琳课题组在石墨烯的化学气相沉积(CVD)制备及应用取得了一系列重要进展.针对高品质石墨烯薄膜的CVD制备,课题组发展了多种石墨烯CVD生长方式,对其畴区尺寸/层数/洁净度/掺杂和生长速度进行了精确调控,并率先实现了4英寸无褶皱石墨烯单晶晶圆/大面积超洁净石墨烯薄膜的制备/石墨烯薄膜连续批量制备和绿色无损转移,并研制了超级石墨烯玻璃和石墨烯基LED器件.上述一系列创新性研究成果有助于突破高品质石墨烯薄膜的制备技术瓶颈及探索其高端应用技术,将促使石墨烯薄膜材料和产业实现理性和良性可持续发展.最近,刘忠范课题组和彭海琳课题组应邀在国际著名刊物<自然-材料>Nature Materials上发表题为<石墨烯产业化-制备决定未来>的综述论文 (Synthesis Challenges for Graphene Industry. Li Lin, Hailin Peng*, Zhongfan Liu*, Nature Materials 2019, 18, 520),从石墨烯产业化的现状和存在的问题等方面进行了深入的探讨分析,并提出了"标号'石墨烯的概念和石墨烯未来可能的"杀手锏'级应用.

论文指出,石墨烯市场亟需标准化.石墨烯标号规则应涉及石墨烯的基本结构(晶畴尺寸/层数/平整度/纯度/掺杂度等)和内禀性质(迁移率/电导率/透光率/功函数/热导率等)等.材料制备和应用探索的努力方向是材料的一体化.即石墨烯与其他材料复合,利用石墨烯的附加功能,实现功能的一体化,这也是通向石墨烯"杀手锏'级应用的途径之一.从石墨烯的发现至今才十多年,这说明石墨烯还有很多可以提升和努力的空间,也告诉我们石墨烯的产业化不是一朝一夕可以实现的.制备决定未来,只有在石墨烯制备上不断精进,我们才会迎来石墨烯产业的朝阳时代.

以上综述论文的通讯作者为刘忠范教授和彭海琳教授,第一作者为林立博士.该系列工作得到了国家自然科学基金委/科技部国家重点研究计划/北京市科委项目的大力支持.

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