石墨烯技術(shù)點(diǎn)亮綠色未來

劉國(guó)偉

石墨烯，被譽(yù)為“黑金”“新材料之王”。中國(guó)的石墨基礎(chǔ)儲(chǔ)量約占全世界的三分之一（還有數(shù)據(jù)稱占一多半），由石墨衍生出來的石墨烯作為最前沿的新材料，用途太大、太神奇了，乃至有科學(xué)家預(yù)言，石墨烯將“改變21世紀(jì)”。那么，作為主導(dǎo)未來的戰(zhàn)略新興材料，石墨烯在國(guó)計(jì)民生和環(huán)保領(lǐng)域有哪些可觀的應(yīng)用前景呢？

“新材料之王”橫空出世

石墨烯是一種由單層的碳原子緊密排列成二維的蜂巢狀六角格子的物質(zhì)，單純由碳元素構(gòu)成。半個(gè)多世紀(jì)以來，科學(xué)界曾經(jīng)普遍認(rèn)為這樣的二維材料是一種假設(shè)性結(jié)構(gòu)，難以穩(wěn)定地單獨(dú)存在。直至2004年，英國(guó)曼徹斯特大學(xué)物理學(xué)家安德烈·海姆和他的學(xué)生康斯坦丁·諾沃肖洛夫，成功地在實(shí)驗(yàn)中從石墨中分離出單層的石墨烯，從而證實(shí)它可以單獨(dú)存在。兩人也因?yàn)椤霸诙S石墨烯材料的開創(chuàng)性實(shí)驗(yàn)”，僅僅在6年后就共同獲得2010年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

這次獲獎(jiǎng)驚動(dòng)了科學(xué)界和產(chǎn)業(yè)界，之后幾年間石墨烯的研究在許多領(lǐng)域取得了進(jìn)展。由于碳原子之間化學(xué)鍵的特性，石墨烯很頑強(qiáng)：可以彎曲到很大角度而不斷裂，還能抵抗很高的壓力。而因?yàn)橹挥幸粚釉樱娮拥倪\(yùn)動(dòng)被限制在一個(gè)平面上，為它帶來了全新的電學(xué)屬性。人們目前已經(jīng)知道石墨烯是世上最薄卻也是最堅(jiān)硬的納米材料，它幾乎是完全透明的良好導(dǎo)體，電阻率比銀更低，為目前世上電阻率最小的材料。由于它的電阻率極低，電子的移動(dòng)速度極快，因此被期待用來發(fā)展出更薄、導(dǎo)電速度更快的新一代電子元件或電晶體。

業(yè)界認(rèn)為，石墨烯在電子信息、光通訊、新材料、節(jié)能環(huán)保、醫(yī)療健康、航空航天以及國(guó)防等涉及國(guó)計(jì)民生和國(guó)家安全的領(lǐng)域，有著廣闊的應(yīng)用前景，有望帶來革命性的技術(shù)進(jìn)步。未來石墨烯產(chǎn)業(yè)市場(chǎng)潛力巨大，歐盟、美國(guó)、韓國(guó)等國(guó)家和地區(qū)紛紛將石墨烯新材料研究提升至戰(zhàn)略層面。那么，石墨烯材料在節(jié)能和環(huán)保領(lǐng)域有何應(yīng)用前景呢？

石墨烯“篩子”能淡化海水

淡水資源缺少的問題正在威脅著世界上越來越多國(guó)家的飲水安全。隨著氣候變化的加劇，不少城市的淡水供應(yīng)量將不斷下降。許多國(guó)家開始將目光轉(zhuǎn)向了幾乎是無限供應(yīng)的海水，加大海水淡化裝置的研發(fā)力度。石墨烯材料給當(dāng)下無法低成本推廣的海水淡化技術(shù)，帶來了新的機(jī)遇。

2012年7月，美國(guó)麻省理工學(xué)院發(fā)文稱，該校研究人員借助石墨烯開發(fā)出了一種海水淡化的新方法。這種方法的原理是通過精確控制多孔石墨烯的孔徑并向其中添加其他材料的方法，改變石墨烯小孔邊緣的性質(zhì)，使其能夠排斥或吸引水分子。這樣一來，這種特制的石墨烯就如同篩子一樣能陜速地濾掉海水中的鹽，而只留下水分子。新工藝的關(guān)鍵是非常精確地控制石墨烯孔洞的大小。研究人員稱，最理想的大小是l納米，不能太大也不能太小，如果太大了鹽便會(huì)和水分子一起通過篩子，起不到過濾的作用;如果太小水分子就無法通過這些小孔。計(jì)算機(jī)模擬結(jié)果顯示，這種石墨烯篩子的性能非常優(yōu)秀，能夠快速地完成海水淡化過程。

這種方法盡管理論上可行，但是它仍然很難被應(yīng)用于實(shí)踐中。直到2017年，“篩子”的研發(fā)才有了新的曙光，來自英國(guó)曼徹斯特大學(xué)的科研團(tuán)隊(duì)研發(fā)了一種能濾除海水中鹽分的石墨烯篩子。以往當(dāng)氧化石墨烯薄膜被浸泡在水中時(shí)，會(huì)出現(xiàn)一定程度的膨脹.使得鹽分子能夠穿透膜上的小孔而達(dá)不到過濾效果，曼徹斯特大學(xué)的專家則用環(huán)氧樹脂防止了薄膜的膨脹，從而使得根據(jù)需要調(diào)整鹽的過濾程度成為可能。

反觀目前海水脫鹽最常用的反滲透技術(shù)，原理上是用一種特制的膜來過濾海水中的鹽。但由于這些薄膜上的小孔非常致密，需要非常大的壓力來迫使海水通過薄膜，因此在淡化時(shí)需要使用水泵擠壓海水，消耗能源非常多。相比之下在相同的壓力下，使用石墨烯新技術(shù)在過濾速度上可比反滲透薄膜技術(shù)快數(shù)百倍，因此可以節(jié)約更多的能源。

柔性透明的石墨烯太陽能電池

光伏電池是當(dāng)下可再生能源的主力軍之一。但在當(dāng)今的城市里，人們發(fā)現(xiàn)隨著樓層越建越高，一天之中陽光照在地面和屋頂?shù)臅r(shí)間越來越短。常見的太陽能電池板已無法滿足需求，人們急切需要像玻璃一樣透明，能安裝在更多場(chǎng)合或建筑側(cè)面的電池板材料，這給石墨烯材料以新的用武之地。

目前，太陽能電池制造中最廣泛使用的材料是銦錫氧化物（ITO），這種材料的導(dǎo)電性和透明性都符合要求，但其硬度高，因此容易折斷。另外，作為稀有金屬，銦用來生產(chǎn)太陽能電池使電池成本居高不下。石墨烯層是用隨處可見的碳制成的材料，不僅導(dǎo)電性高、可彎曲和透明，而且做成的電極只有1個(gè)納米厚，更符合超薄有機(jī)太陽能電池的需求，因此有望成為替代目前主流材料的最佳選擇。

2012年底，美國(guó)麻省理工學(xué)院的研究人員研制出一種在柔性石墨烯片上涂覆納米線的新方法，為生產(chǎn)出低成本、透明以及柔韌性佳的太陽能電池提供了可行的路徑。5年后，麻省理工學(xué)院的研究人員再下一城，開發(fā)出一種制造柔性透明的石墨烯太陽能電池的技術(shù)，使之能被安裝于各類物質(zhì)表面上。

2017年，清華大學(xué)材料學(xué)院朱宏偉教授在評(píng)價(jià)石墨烯在太陽能電池、光電等領(lǐng)域的應(yīng)用研究時(shí)認(rèn)為，當(dāng)下石墨烯在光伏、光電領(lǐng)域的應(yīng)用與在鋰電池等領(lǐng)域相比還很不成熟，主要原因是高質(zhì)量、大面積的單層石墨烯薄膜規(guī)模化制備技術(shù)還不成熟，業(yè)界還需要繼續(xù)努力。

石墨烯智能卡或?qū)⑻娲芰峡?/p>

今年6月，聯(lián)合國(guó)警告說塑料污染正在包圍地球，治理源頭勢(shì)在必行。打開抽屜和錢包，數(shù)數(shù)大家各自有多少張銀行卡、會(huì)員卡等塑料卡片吧。僅僅在英國(guó)，每個(gè)月就有近6000萬張信用卡和其他銀行卡在流通使用?？ㄆ姆彪s不僅大大增加了人們的收納工作量和生活不便程度，而且消耗了為數(shù)可觀的塑料材料，加大了塑料污染治理的難度。

以石墨烯研究、制備、工業(yè)化應(yīng)用為主的西班牙研究機(jī)構(gòu)“石墨烯納米”（Graphenano），幾年前曾以創(chuàng)新性的石墨烯聚合物電池轟動(dòng)業(yè)內(nèi)。該機(jī)構(gòu)向大眾展示的一大前景是，一張石墨烯智能卡可以改變這一切，它號(hào)稱能夠?qū)⑺袀€(gè)人的信用卡、交通卡、會(huì)員卡甚至登機(jī)牌和火車票信息囊括起來，從源頭上大大減少塑料廢棄物。

今年3月，有消息披露稱歐洲的研究團(tuán)隊(duì)在開發(fā)高度靈活、高導(dǎo)電性的碳基天線方面取得了進(jìn)展。該技術(shù)采用堆疊石墨烯多層膜，用僅由碳原子組成的新型天線取代了經(jīng)典的全金屬天線。使用該技術(shù)加工成的近場(chǎng)通信設(shè)備（NFC），不需要在加工過程中對(duì)金屬進(jìn)行化學(xué)蝕刻或進(jìn)行高溫退火，具有更耐腐蝕和化學(xué)穩(wěn)定性高的優(yōu)點(diǎn)，可以嵌入可穿戴電子設(shè)備，也沒有一次性裝置將重金屬離子釋放到環(huán)境中的危險(xiǎn)。如此輕便、便宜的碳基材料無疑具有很大的環(huán)保吸引力。

石墨烯電子紙前景無限

在電影《哈利波特》里面，英國(guó)魔法界第一大報(bào)《預(yù)言家日?qǐng)?bào)》給無數(shù)影迷留下了深刻印象，報(bào)紙上的人物形象能說會(huì)動(dòng)，簡(jiǎn)直就是一張可折疊的多媒體顯示器。許多觀影者會(huì)不約而同地暢想到同一個(gè)問題：這樣的報(bào)紙何時(shí)來到身邊？很快，電子紙技術(shù)為實(shí)現(xiàn)這一夢(mèng)想提供了可能性。電子紙被學(xué)術(shù)界稱為“造紙術(shù)的革命”，是報(bào)刊雜志、書籍出版電子化及物聯(lián)網(wǎng)界面顯示最理想的載體，但由于以銦為主要材料的顯示薄膜的全球儲(chǔ)量和開發(fā)前景有限，導(dǎo)致電子紙顯示技術(shù)推廣受限且價(jià)格居高不下。

2014年9月，英國(guó)劍橋大學(xué)石墨烯中心和英國(guó)“塑料邏輯”公司，共同生產(chǎn)和展示了第一張基于石墨烯的電子紙。他們采用的技術(shù)是使用電場(chǎng)重新排列溶液上的懸浮粒子，使之顯示出圖像。這種顯示屏與如今的電子閱讀器顯示屏很相似，不過它沒有采用玻璃材質(zhì)，而是選用了軟塑料，當(dāng)然這也是首次將石墨烯技術(shù)應(yīng)用在基于晶體管的電子設(shè)備上面。

由于電子紙可以在彎曲狀態(tài)下繼續(xù)顯示數(shù)字內(nèi)容，這是一個(gè)堪稱里程碑的時(shí)刻。其意義絕不僅僅是大大減少紙張浪費(fèi)，讓印刷出版行業(yè)“更綠”，而是以最低的成本、最便捷的制造解決方案，研制出性能更優(yōu)良的超級(jí)電容和太陽能電池等。放眼未來，這項(xiàng)技術(shù)將會(huì)應(yīng)用在高分辨率的醫(yī)療圖像系統(tǒng)和高精準(zhǔn)的手勢(shì)識(shí)別應(yīng)用程序上。

2016年夏天，土耳其比爾肯大學(xué)研究人員將一張普通的打印紙夾在兩層石墨烯膜（由多層石墨烯構(gòu)成）之間，使其變成了一種柔性電子紙。他們還將石墨烯排布成多像素模式，把紙折成三維形狀，在上面打印出彩色圖案，展示了不同于晶片技術(shù)的另一類效果。

同在2016年，中國(guó)也研發(fā)出了自己的石墨烯電子紙。廣州奧翼電子科技股份有限公司與重慶墨?？萍加邢薰驹跉v時(shí)近一年的艱辛研制后，雙方共同開發(fā)出石墨烯薄膜以及電子墨水配方和涂布工藝，使電子墨水能夠涂覆于石墨烯薄膜上，形成石墨烯電子紙。今年6月5日世界環(huán)境日當(dāng)天，廣州奧翼電子公司正式向外界發(fā)布了近零功耗、高性能、可量產(chǎn)的彩色電子紙顯示屏。這一技術(shù)將我國(guó)電子紙的性能提升到一個(gè)新高度，也為石墨烯的產(chǎn)業(yè)化開創(chuàng)了一個(gè)全新的空間。