《氧化石墨烯的制備及應(yīng)用現(xiàn)狀》

氧化石墨烯是石墨粉末經(jīng)化學氧化及剝離后的產(chǎn)物，其顏色為棕黃色；市面上常見的產(chǎn)品有粉末狀，塊狀以及溶液狀。氧化石墨烯是單一的原子層，在橫向尺寸上可擴展到數(shù)十微米。氧化石墨烯具有sp2和sp3雜化結(jié)構(gòu)，表面帶有大量的羥基、羧基和環(huán)氧基等含氧官能團，這些官能團賦予氧化石墨烯一些新的性能，如分散性良好、親水性、增加了與聚合物的相互作用性等。

隨著在消費電子、新能源、半導(dǎo)體、航空航天等場景下的新興應(yīng)用不斷涌現(xiàn)，被稱為“黑金”的新材料之王石墨烯受到社會各界的日益重視。氧化石墨烯（graphene oxide，簡稱GO）作為一種重要的石墨烯衍生物，具有優(yōu)越的力學、熱學、吸附和化學穩(wěn)定性等特性，同樣受到了產(chǎn)業(yè)界的大力推廣和應(yīng)用。

氧化石墨烯的制備及市場規(guī)模

石墨烯制備方法主要分為“自上而下”法和“自下而上”法兩大類，前者主要以石墨為原料，利用物理、化學手段削弱石墨層與層間的范德華力剝離得到單層或少層石墨烯，而后者多以含碳氣體為原料在高溫、超真空等條件下制備石墨烯片層。目前國內(nèi)較常使用的石墨烯量產(chǎn)方法主要有機械物理法、化學氧化法和化學氣相沉積法。

表1　對比三種石墨烯制備方法

 由上表可見，從生產(chǎn)成本、產(chǎn)品質(zhì)量等多方面考慮，化學氧化法是當前適合大規(guī)模生產(chǎn)石墨烯材料的最佳方法，但該方法會使用大量的化工原料并且產(chǎn)生大量廢酸，解決大規(guī)模生產(chǎn)工藝和處理廢液成為很多石墨烯生產(chǎn)企業(yè)遇到的棘手問題。墨?？萍佳趸┊a(chǎn)業(yè)化項目在工藝技術(shù)和生產(chǎn)選址上做了充分規(guī)劃，將工廠建在配套完整的化工園區(qū)內(nèi)，同時實現(xiàn)原材料就地取材和尾液循環(huán)使用，轉(zhuǎn)化為有用化工產(chǎn)品，實現(xiàn)綠色環(huán)保和可持續(xù)的規(guī)模化氧化石墨烯生產(chǎn)。

 氧化石墨烯一般由石墨經(jīng)強酸和強氧化劑氧化而得，目前主要的制備氧化石墨烯的方法有三種：Brodie法，Staudenmaier法和Hummers法。改進Hummers法的制備過程時效性相對較好而且較為安全，是目前量產(chǎn)氧化石墨烯的最常用方法，其制備步驟主要包括：（1）預(yù)氧化階段；（2）改進的Hummers方法過氧化；（3）后處理階段；（4）制備氧化石墨烯分散液。下圖是制備氧化石墨烯的簡單流程圖[2]。而規(guī)?；a(chǎn)對生產(chǎn)工藝要求更高，在整個生產(chǎn)過程中，反應(yīng)過程復(fù)雜，需要不斷的修正和控制溫度，同時要嚴格控制氧化劑下料速度、反應(yīng)時間等，進而才能提高氧化石墨烯的品質(zhì)，特別是控溫工藝技術(shù)，它是保證產(chǎn)品穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素。

據(jù)前瞻產(chǎn)業(yè)研究院預(yù)估，到2025年全球石墨烯原料市場規(guī)模將超過20億美元。從石墨烯原料的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)來看，石墨烯主要包括氧化石墨烯、石墨烯納米片(GNP)和其它產(chǎn)品，而其它石墨烯產(chǎn)品包括碳化硅石墨烯、還原氧化石墨烯(RGO)等，每一種類型都有不同的特點和用途。和其它石墨烯類型相比，性質(zhì)更加活潑的氧化石墨烯在全球石墨烯市場中成長最快，占據(jù)著60%以上的市場份額。

      面對氧化石墨烯在應(yīng)用領(lǐng)域的快速擴張和市場需求的不斷增長，已有不少石墨烯生產(chǎn)企業(yè)在緊鑼密鼓地進行產(chǎn)能擴建。多凌新材料子公司黑龍江多凌新材料科技有限公司計劃2021年底完成1000T氧化石墨烯產(chǎn)能產(chǎn)線的搭建與調(diào)試。隨著氧化石墨烯產(chǎn)能不斷提升，應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)不斷突破，其下游應(yīng)用市場將不斷打開，那么氧化石墨烯的下游應(yīng)用情況又如何呢？

氧化石墨烯下游應(yīng)用

      氧化石墨烯表面豐富的官能團，與石墨烯相似的二維蜂窩狀晶格結(jié)構(gòu)，賦予了其許多優(yōu)異的理化和生物特性，如良好的親水性、高比表面積、優(yōu)異的機械性能和光學性質(zhì)。利用這些獨特的性能，氧化石墨烯可被應(yīng)用到眾多領(lǐng)域。

      在復(fù)合材料方面，氧化石墨烯可增強材料本身的熱學和電學性能。據(jù)相關(guān)石墨烯企業(yè)的官網(wǎng)信息顯示，廈門凱納利用改性石墨烯做導(dǎo)熱填料，開發(fā)出石墨烯碳塑合金等產(chǎn)品；東旭光電、山東晶泰星已經(jīng)實現(xiàn)了石墨烯散熱LED燈的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。而墨?？萍家查_發(fā)出多款石墨烯改性復(fù)合材料，例如石墨烯改性導(dǎo)熱PC材料，將熱導(dǎo)率由0.2 W/m·K提升至1.0W/m·K以上；石墨烯改性抗靜電PC材料的電阻可有效控制在100-105Ω/cm。它們可應(yīng)用于LED照明、散熱器、電池箱殼、電子封裝基板等領(lǐng)域。

       除了作為導(dǎo)熱填料，氧化石墨烯還可制備成純的石墨烯導(dǎo)熱膜，應(yīng)用于散熱要求較高的設(shè)備上。根據(jù)工信部發(fā)布的《石墨烯熱控材料在華為5G產(chǎn)品中得到創(chuàng)新應(yīng)用》報告稱，2018年石墨烯導(dǎo)熱膜在華為 Mate 20X 得到首次應(yīng)用之后，華為2020年發(fā)布的國內(nèi)首款5G平板華為MatePad Pro 5G也采用了石墨烯散熱技術(shù)，石墨烯導(dǎo)熱膜總厚度可達到400μm；而小米10系列手機采用了VC液冷板+石墨烯+6層石墨的三明治散熱系統(tǒng)，紅米K30 pro手機中同樣也采用了石墨烯導(dǎo)熱膜。墨?？萍荚诖藨?yīng)用領(lǐng)域早已進行布局，導(dǎo)熱系數(shù)高于1300W/m·K的石墨烯導(dǎo)熱膜已經(jīng)實現(xiàn)大批量生產(chǎn)，而實驗室正在開發(fā)下一代導(dǎo)熱膜的導(dǎo)熱系數(shù)也達到1700W/m·K。該產(chǎn)品在智能手機、平板電腦等智能終端的熱管理解決方案中得到了很好的應(yīng)用。

      在紡織方面，氧化石墨烯的引入有利于改善聚合物纖維的強度、耐熱性、耐候性、抗靜電等諸多性能。根據(jù)有關(guān)報道，杭州高烯科技通過原位聚合及熔融紡絲技術(shù)開發(fā)了石墨烯改性復(fù)合纖維，研制出石墨烯錦綸、滌綸、氨綸、腈綸、黏膠、莫代爾等多系列功能復(fù)合纖維；華陽新材料集團與榮盛、桐昆等國內(nèi)石化化纖龍頭企業(yè)也在功能性纖維新材料方面攜手開展了一系列合作。

      除了上述應(yīng)用外，氧化石墨烯在光電傳感領(lǐng)域（光探測器件、新型光源材料等），生物醫(yī)學領(lǐng)域（藥物載體、生物成像以及組織再造等）、水處理領(lǐng)域（海水淡化、污染物治理等）等不同領(lǐng)域都展現(xiàn)出了巨大的研究和應(yīng)用潛力。

      綜上所述，在政府扶持和各界的共同努力下，石墨烯產(chǎn)業(yè)正處于飛速發(fā)展階段。目前國內(nèi)相關(guān)石墨烯企業(yè)正不斷擴大氧化石墨烯的產(chǎn)能，挖掘氧化石墨烯在諸多領(lǐng)域的應(yīng)用場景。氧化石墨烯也開始逐漸被應(yīng)用于電子器件、紡織纖維、節(jié)能環(huán)保等與人們?nèi)粘Ｉ钕⑾⑾嚓P(guān)的領(lǐng)域，展現(xiàn)出了非常廣闊的應(yīng)用前景及巨大的市場價值。