（原標(biāo)題：AM發(fā)聲“打假”石墨烯）

原創(chuàng)：Energist 能源學(xué)人

石墨烯在2004年被首次分離出來(lái)，由于其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)，物理和化學(xué)性質(zhì)，在過(guò)去十年，石墨烯在不同領(lǐng)域的應(yīng)用呈指數(shù)增長(zhǎng)。同時(shí)，生產(chǎn)和合成石墨烯的不同途徑也獲得了不同程度的成功。利用化學(xué)氣相沉積（CVD）和使用通過(guò)機(jī)械，化學(xué)或電化學(xué)方法將石墨剝離至石墨烯薄片的方法應(yīng)運(yùn)而生，并獲得了巨大成功，到目前為止， 全世界共有數(shù)百家公司宣稱(chēng)他們生產(chǎn)石墨烯，作為一種僅僅問(wèn)世十幾年的材料就獲得如此巨大的進(jìn)步，實(shí)在讓人驚訝。但這些公司合成的石墨烯質(zhì)量如何？

近日，新加坡國(guó)立大學(xué)Antonio H. Castro Neto教授和因石墨烯而獲得諾貝爾獎(jiǎng)的Konstantin S. Novoselov聯(lián)合在Advanced Materials上發(fā)文， 對(duì)來(lái)自來(lái)美洲、亞洲和歐洲的60家公司的墨烯樣品進(jìn)行了分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，這些所謂的石墨烯性能有很大差異，對(duì)于大多數(shù)應(yīng)用來(lái)說(shuō)并不是最好的，并且大多數(shù)公司正在生產(chǎn)的并不是石墨烯，而是石墨烯微片。 因此，作者呼吁，在考慮到物理性質(zhì)以及特定應(yīng)用要求的同時(shí)，需要制定嚴(yán)格的石墨烯表征和生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)，這是建立健康可靠的全球石墨烯市場(chǎng)的唯一途徑。

從圖1可以清楚地看到， 大多數(shù)公司樣品中石墨烯含量低于10％，沒(méi)有公司生產(chǎn)的樣品中石墨烯含量超過(guò)50％。完美的結(jié)晶石墨烯應(yīng)具有100％的sp2鍵，然而，在所研究的公司中，沒(méi)有任何一家樣品的sp2鍵含量超過(guò)60％。 通過(guò)對(duì)全球石墨烯生產(chǎn)的研究表明， 市場(chǎng)上幾乎沒(méi)有ISO所定義的高質(zhì)量石墨烯（單層碳原子構(gòu)成），這結(jié)果給過(guò)去十年石墨烯的熱潮真是潑了一盆冰水。 但這似乎也從側(cè)面解釋了為什么石墨烯的實(shí)際應(yīng)用這么稀少，畢竟石墨烯與石墨的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)差異還是蠻大的。更讓人不安的是，如果沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，少數(shù)不良商家將石墨烯與石墨混合出售（畢竟二者都是黑色的），在牟取暴利的同時(shí)，對(duì)石墨烯的應(yīng)用將是一場(chǎng)災(zāi)難。

圖1. a）不同石墨烯含量樣品對(duì)應(yīng)的公司數(shù)量。 b）與AFM（D50和D90）的層數(shù)相關(guān)樣品對(duì)應(yīng)的公司數(shù)量。 c）不同石墨烯層數(shù)樣品對(duì)應(yīng)的公司數(shù)量。 d）不同橫向尺寸石墨烯樣品對(duì)應(yīng)的公司數(shù)量。 e）不同碳含量樣品對(duì)應(yīng)的公司數(shù)量（根據(jù)元素分析得到）。 f）不同C-C sp2含量樣品對(duì)應(yīng)的公司數(shù)量（XPS分析）。

作者認(rèn)為對(duì)高質(zhì)量石墨烯缺乏適當(dāng)表征阻礙了從根本上依賴(lài)于石墨烯的應(yīng)用的開(kāi)發(fā)。原子力顯微鏡（AFM）可測(cè)量石墨烯疊層的厚度信息。光學(xué)顯微鏡可提供石墨烯片尺寸信息。拉曼光譜可提供石墨烯結(jié)構(gòu)完整性信息，并可以辨別GO或rGO的存在。X射線(xiàn)光電子能譜（XPS）測(cè)量碳含量可用來(lái)標(biāo)定石墨烯純度。掃描電子顯微鏡和透射電子顯微鏡能提供樣品形態(tài)信息。這些基本信息將為統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的提出奠定基礎(chǔ)。

【石墨烯的標(biāo)準(zhǔn)】

國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）將納米材料定義為具有納米級(jí)外部尺寸（長(zhǎng)度范圍約為1至100 nm）或具有納米級(jí)內(nèi)部結(jié)構(gòu)或表面結(jié)構(gòu)的材料，2D材料是“厚度為幾納米或更小的物質(zhì)。因此根據(jù)定義，石墨烯是最著名的二維材料，也是第一個(gè)在實(shí)驗(yàn)室中分離出來(lái)的二維材料。 與石墨烯相比，石墨烯氧化物（GO）和還原氧化石墨烯（rGO）在合成的過(guò)程中晶格的對(duì)稱(chēng)性被破壞并且碳原子的振動(dòng)頻率受到影響，對(duì)其結(jié)構(gòu)造成了很大的破壞，不利于其性能的發(fā)揮，而市場(chǎng)上大多數(shù)所謂石墨烯正是這兩種產(chǎn)品。

石墨烯的物理性質(zhì)對(duì)堆疊層數(shù)非常敏感。層數(shù)越少，晶體尺寸越大，堆疊越接近單層石墨烯。因此，堆疊層數(shù)是對(duì)石墨烯定義的一個(gè)關(guān)鍵因素。從物理角度來(lái)看，這些定義相當(dāng)隨意，到現(xiàn)在由于石墨烯缺乏標(biāo)準(zhǔn)，在市場(chǎng)上銷(xiāo)售的材料質(zhì)量差，一直阻礙了石墨烯應(yīng)用的發(fā)展。作者認(rèn)為標(biāo)準(zhǔn)可以公平的比較來(lái)自不同生產(chǎn)商的材料的質(zhì)量，并為買(mǎi)家提供可靠的產(chǎn)品。進(jìn)而形成良性循環(huán)，加快石墨烯的應(yīng)用發(fā)展。

石墨烯的發(fā)展才剛剛起步，而統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)將是其真正走向應(yīng)用的關(guān)鍵性一步。[1]

【更多訊息】

近日，劉忠范院士和彭海琳教授在Advanced Materials發(fā)表了利用化學(xué)氣相沉積（CVD）法大規(guī)模制備石墨烯膜的綜述文章，歡迎關(guān)注！[2]

CVD法由于其優(yōu)良的可控性和可拓展性，被認(rèn)為是制備大面積高質(zhì)量石墨烯薄膜的有效方法。為了控制石墨烯的生長(zhǎng)以獲得尺寸區(qū)域大、碳層均勻、生長(zhǎng)快速和合成溫度低的石墨烯，科研界和工業(yè)界已經(jīng)做出了很大的努力?？茖W(xué)界和初創(chuàng)公司都在嘗試大規(guī)模生產(chǎn)，然而，在實(shí)驗(yàn)室規(guī)模和工業(yè)規(guī)模上所合成的石墨烯質(zhì)量有很大差異。文章綜述了近年來(lái)CVD石墨烯薄膜大規(guī)模生產(chǎn)的進(jìn)展，包括制造工藝、設(shè)備和關(guān)鍵工藝參數(shù)。此外，還討論了石墨烯薄膜的大規(guī)模生產(chǎn)均勻性和快速表征方法，這對(duì)于批量生產(chǎn)中的質(zhì)量控制至關(guān)重要。

【參考文獻(xiàn)】

[1] Alan P. Kauling, Andressa T. Seefeldt, Diego P. Pisoni, Roshini C. Pradeep, Ricardo Bentini, Ricardo V. B. Oliveira, Konstantin S. Novoselov, Antonio H. Castro Neto, The Worldwide Graphene Flake Production, Advanced Materials , 2018, DOI: 10.1002/adma.201803784

[2] Bing Deng, Zhongfan Liu and Hailin Peng, Toward Mass Production of CVD Graphene Films, Advanced Materials , DOI: 10.1002/adma.201800996