“一秒钟内下载一部高清电影,手机的充电时间缩短到一分钟,这些都有可能在2024年前后实现,靠的仅仅是一个小小的石墨烯器件。”在两年前的一场报告会上,中国科学院院长白春礼曾作出如上预测。

近日,“石墨烯及其复合材料规模化制备与应用”项目负责人,复旦大学聚合物分子工程国家重点实验室教授卢红斌透露:经过项目组的多年研究,石墨烯低成本规模化制备技术已渐成熟,可望加速实现我国天然石墨的高附加值利用,并拉动新材料、电子器件、交通运输、航空航天和国防等相关产业的技术革新与进步。

石墨烯是已知材料中最薄的二维晶体,仅单个碳原子厚度,其突出的力学强度、载流子迁移速率和巨大的比表面积等许多独特性质使其成为本世纪最具潜力的二维纳米材料,激起了人们的强烈兴趣。

目前,世界各国都已瞄准了石墨烯商机,纷纷加大研发力度,着力推进石墨烯的规模化应用。

国内外各大企业纷纷关注石墨烯产业的发展,且均已投入巨资试图占领石墨烯产业发展的制高点。近期,继“中关村丰台园战略性新材料国际合作项目”首个以石墨烯新材料为关键技术的国际合作项目正式启动后,全国中小企业股份转让系统(新三板)披露的公告显示,主营产品为石墨烯粉体的公司“第六元素”已获得新三板挂牌函。

“然而,迄今为止,石墨烯低成本、高效率生产仍然是制约其商业化应用的关键瓶颈。”卢红斌说。石墨烯是天然石墨的基本构造单元,将石墨剥离成为单个石墨烯片层是实现规模化应用的关键步骤。

如果能够在液相中实现无需还原的高效剥离、且可高浓度稳定分散于溶剂中,将不仅能够简化工艺流程,也可有效解决石墨烯规模化制备与应用中的储存和运输问题。

近日,项目组提出的一种快速、高效的水相剥离新技术,为实现石墨烯的规模化制备与应用提供了有效的解决方案。整个剥离过程都是在室温常压下进行的,可在几小时内实现石墨烯的彻底剥离,基本不涉及高温操作。

据介绍,剥离过程采用的全部是廉价的常规试剂,这使得最终制备的石墨烯成本甚至低于高质量的导电炭黑。剥离的石墨烯不仅具有良好的结构完整性和薄膜电导率,还可在比炭黑更低填充含量情况下实现更好的导电性能。同时,剥离的石墨烯还可以极高固体含量形成水相糊料或滤饼,后者仍可方便地再次均匀分散于水相溶液中且不发生聚集。这极大地方便了石墨烯的储存运输以及与下游产品制备工艺的衔接,显示了极佳的市场应用潜力。

卢红斌说,对于石墨烯在复合材料和储能材料中的应用,其微观结构与性能调控同样是极为关键的环节。项目组从2008年开始从事石墨烯复合材料方面的研究,已在石墨烯表面修饰、界面结构优化、锂离子电池、超级电容器、燃料电池脱氢催化剂等方面取得系列进展。

该项目组提出了第一个在石墨烯表面调控聚合物共价接枝密度和接枝链长的方法、以及在石墨烯复合材料中构建仿生界面的新方法;为了提高石墨烯基锂电池容量和循环性质,项目组建立了第一个二硫化钼纳米片层低成本、高效率自发剥离的新技术;为了优化石墨烯基超级电容器和催化脱氢性能,项目组也相继发展了高性能的石墨烯复合材料全固态超级电容器和高效率石墨烯负载催化剂。

卢红斌说,这些新方法的建立以及与低成本、高质量石墨烯制备技术的结合,将促进石墨烯新材料的商业应用,为实现石墨资源的高效利用奠定基础。