科创中国

"43. 石墨烯快速制备技术

负责人：陈元振

所在学院：材料学院

一、项目简介

石墨烯可以视为单层石墨结构，其独特的二维结构及其优良导电性使其在微电子、半导体、电池以及防腐涂层中得到应用。目前石墨烯生产方法主要有机械剥离法，化学气相沉积法，电辅助氧化法和氧化还原法。表1里列举了这几种方法的优缺点。

表1 石墨烯各生产方式优缺点对比

生产方式 优点 缺点

机械剥离法 石墨烯品质较高，操作简单，成本低廉 获得的石墨烯尺寸不稳定，无法实现量产。

化学气相沉积法 操作相对简单，石墨烯可以大面积生长，得到的石墨烯较为完整，质量较好 高温工艺，成本高；

只能达到平方厘米的量级，难以满足石墨烯的工业化应用

电辅助氧化法 生产设备简单 难以控制石墨烯生长层数；

石墨烯较难从SiC基板上转移；

使用强氧化剂，有害气体产生。

氧化还原法 简单易行的工艺成、高效且成本较低 石墨烯在生产过程易发生不可逆转的团聚；氧化还原的过程中，电子结构及晶体的完整性易被破坏，难以生产高品质产品；生产废液造成环境污染。

本团队开发的石墨烯采用气氛-电弧法，可以实现石墨烯的快速制备。相比于传统石墨烯制备方法，它具有如下优势： 

1）生产效率极高。氧化法制备石墨烯耗时约3-7天电弧法可在几分钟到十几分钟内完成，效率是普通方法的400多倍。 

2）可实现自动化。电弧法制备石墨烯属于纯物理法，从填料，抽气，放电，到收集，整个过程都可以用设置程序完成，实现自动化。 

3）清洁，无污染。传统的化学氧化法要大量使用浓硫酸，磷酸，高锰酸钾，硝酸盐等，制备过程中会造成空气污染和水污染，工人的操作环境差。而电弧法在密闭的腔室中完成，而且不会产生污染物。 

4）材料纯度高。物理电弧法不会引入杂质对石墨烯造成污染，而且电弧放电是持续稳定的，因此，石墨烯的纯度高，均一性好。 

电弧法制备的石墨烯形貌如图1所示，石墨烯为小尺寸片状形貌，透射电镜（图1 c，d）显示石墨烯为1-7层不等的碳原子层组成。

二、技术指标（性能参数）

层数 1-7层

纯度 90%（视石墨棒加工方法）

尺寸 200-500 nm

三、市场前景及应用

随着批量化生产以及大尺寸等难题的逐步突破，石墨烯的产业化应用步伐正在加快，基于已有的研究成果，最先实现商业化应用的领域可能会是移动设备、航空航天、新能源电池领域。不同形貌的石墨烯具有不同的应用范围。如大尺寸石墨烯膜可以用作柔性显示器，变色玻璃。石墨烯还可以用来制作晶体管，这种晶体管在接近单个原子的尺度上依然能稳定地工作。本项目生产的石墨烯为小尺寸石墨烯粉体材料，可以在汽车，新能源电池，催化剂载体，石墨烯电缆，散热片等方面有巨大的应用潜力。

四、技术成熟度

工程样机  

五、合作方式

面议"