刘忠范 北大化学院彭海琳、刘忠范在《Nature》期刊：工业化石墨烯综合挑战
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前言
石墨烯因其引人入胜的特性而成为现代化学和物理学的新兴材料。自第一次发现，关于其合成方法及相关应用科学发展一直不断进步。许多初创公司一直致力于石墨烯的工业生产，用于商业应用，包括电子，国防，医疗保健和能源。预计全球石墨烯市场到2022年将超过1.5亿英镑。然而，石墨烯的真正商业化远未成功。
只有满足特定应用要求并有超越其他替代品的令人信服的优势的材料才能占领潜在市场。以碳纤维的发展历史为例，在初期间，其工业化在很大程度上受到缺乏碳纤维产品的限制，碳纤维产品具有令人信服的性能和性能，以满足依赖于应用的要求。那时，碳纤维的可能用途仅在少数几个领域，如钓竿和高尔夫球杆。在接下来的几年中，特别是近几十年来，高档碳纤维合成的进步确保了扩大的商业应用，包括土木工程，军事，汽车和航空航天工业。反思碳纤维的商业化途径，在改进材料合成和实现真正竞争性应用方面的不懈努力可能使石墨烯能够找到广泛商业化的方法。
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石墨烯制备方法
石墨烯的大规模生产技术必须能够提供所需的量，同时确保工业规模应用的可靠质量。但是，当前石墨烯的制造工艺仍然不成熟和昂贵。
石墨烯及其衍生物的全球市场根据制造工艺分为三个主要产品部分：石墨烯纳米薄片，氧化石墨烯或还原GO，以及石墨烯薄膜。这些石墨烯产品在杂质，尺寸/厚度均匀性，产量，横向尺寸，缺陷密度，生产成本，市场分数和应用方面表现出显着差异，如图1所示。
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图1：石墨烯及其衍生物的最常见商业产品的示意图：石墨烯纳米薄片，GO和连续石墨烯薄膜。
石墨烯纳米薄片可以通过原石墨的剥离来合成。克服石墨的层之间的相互作用所需要的能量通常在超声处理和剪切的形式提供。这种方法总是导致宽的厚度分布和低的剥离效率，这是由石墨的不溶性引起的。一种非氧化插过程可用于扩大石墨随一个更好的收率剥离层间距离。从液相剥离获得的石墨烯纳米薄片已经显示出对于需要高导电性和导热性的各种最终用户应用的巨大希望，例如在电池和复合材料中导电添加剂和填料。
作为水溶性材料，GO是石墨烯市场中的一个主要产品部分。小尺寸的石墨烯片可以通过随后的还原GO的，可消除大部分的含氧官能团的并且部分地恢复其获得SP2键合的碳网络。然而，与非氧化石墨烯纳米薄片相比，由于存在许多空位缺陷和Stone-Wales缺陷，rGO高度无序，质量相对较差。rGO产品在商业上用作复合材料，导电添加剂和散热薄膜中的机械增强材料。
化学气相沉积能够在高温生产高品质的和大面积的连续的石墨烯片上的金属表面。通过该生长过程可以精细控制石墨烯厚度，但是仍然存在高能耗和低成本的问题。加热所需的金属基板和电力占成本的很大一部分。已经设想大规模批量生长和连续生长作为CVD生产石墨烯薄膜的两个工业相关工艺 - 即批次间和卷对卷工艺。这两种工业上可行的增长策略定义了两种商业类别的石墨烯产品 - 英寸尺寸的石墨烯晶片和连续的石墨烯薄膜。连续石墨烯在可扩展性和低成本方面具有优势，而英寸规模的石墨烯晶片具有更高的质量和均匀性。因此，连续石墨烯膜是透明导电膜的潜在候选者，并且石墨烯晶片可用于电子芯片。
石墨烯的对SiC还提供高质量的薄膜与统一的结晶取向，细单层可控性和皱纹形成抑制在晶片尺度。SiC晶圆的高成本和进一步的器件集成需要石墨烯转移和SiC晶圆再利用。SiC衍生石墨烯的主要应用仍然是电子和射频晶体管，等待降低生产成本。
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