石墨烯材料是前途无量还是昙花一现

2004年，英国曼彻斯特大学教授安德烈·海姆（Andre Geim）和康斯坦丁·诺沃肖洛夫（Kostya Novoselov）成功地从石墨中分离出石墨烯。2010年，两人借着在石墨烯方面的创新研究而获得了诺贝尔物理学奖。之后，世界范围内对石墨烯的研究、应用及投资快速升温。

作为目前世界上已知的最薄、强度最高、导电性最好且拥有强大灵活性的碳材料，人们对石墨烯在新技术领域的应用充满了想象。华为、三星、苹果和谷歌等巨头开始积累各种与石墨烯相关的专利，未来之战已在实验室打响。

中国拥有最大的石墨烯研究队伍，产业化工作正在如火如荼地进行，全国各地也在纷纷兴建石墨烯产业园。那么，中国目前石墨烯产业化情况如何？石墨烯材料的未来之路究竟在何方？

北京大学化学与分子工程学院教授，中国科学院院士、发展中国家科学院院士刘忠范给了我们答案。

刘忠范院士作客《大国之材》

以下是新材料在线®整理的对话内容，“材”为新材料在线®，“刘”为刘忠范。

01石墨烯是什么？

材：刘院士好，石墨烯被称为“黑金”，是“新材料之王”，更有科学家预言石墨烯将“彻底改变21世纪”，请刘院士介绍一下石墨烯这种神奇的材料？

刘：大家都知道石墨，石墨跟石墨烯只有一字之差，实际上石墨烯就是单层石墨片。把单层石墨片垒起来，垒到你可以看到就是石墨。而把石墨一层一层的剥下来，剥到最后就是石墨烯。石墨跟石墨烯的关系就是这样。简而言之，石墨烯就是一种纯碳材料，百分之百的碳材料，是具有代表性的二维材料，其形状表现为蜂窝状、六角形结构的碳构成的二维平面，就是石墨烯。

材：请问石墨烯材料有哪些优越的性能，能在哪些领域应用？

刘：首先，石墨烯非常薄、导电性特别好。通俗来讲，就是电子在石墨烯里面可以跑得非常快。石墨烯优异的导电性能也决定其是一种非常好的导电材料。

其次，石墨烯的导热性特别好，理论上它的热导率可以到5300W/(m·K)，而金刚石通常是2000W/(m·K)左右。石墨烯的导热性是目前为止已知材料中最好的，运用石墨烯的导热性，可以用来做散热膜；同时因为石墨烯结构的特殊性，可以用来做发热膜。比如国内现在有用石墨烯作画的，这个画既可以用来欣赏，也有加热的功能。

此外，因为石墨烯导电性好且表面积特别大，所以目前国内比较多的做法是把石墨烯放到锂离子电池中做添加剂。添加石墨烯后可以显著提高锂离子电池的性能、寿命以及循环次数。

值得一提的是，因为一层两层的石墨烯是透明的，又导电又透明你会想到什么呢？可以做触摸屏、触控屏。目前市场上一般是用ITO来做触摸屏，ITO作为一种玻璃，不能来回掰，而石墨烯的柔性特质则决定其可以来回掰。

材：请问刘院士是什么时候开始结缘石墨烯的，能否简单介绍一下目前团队已经取得的成绩？

刘：其实我原来研究的就是碳材料，研究方向是碳纳米管。我1998年开始做碳纳米管，2008年开始研究石墨烯。

事实上，石墨烯跟碳纳米管有很多相同之处，石墨片卷起来就是碳纳米管，把碳纳米管分开、切开就是石墨烯。自然而然，很多研究碳纳米管的也就转向研究石墨烯了，我也是其中之一。

当年研究碳纳米管时，做化学气相生长是我们比较擅长的，所以在研究石墨烯的时候，我们很自然地也从化学气相生长开始，也就是石墨烯薄膜的制备。

我们团队已经在石墨烯薄膜制备领域做了很多工作，可以说我们是石墨烯高质量制备做得最好的团队之一。

《大国之材》刘忠范院士篇实拍

02正视石墨烯产业化现存问题

材：石墨烯作为一种新型材料，没有相关经验可以借鉴，请问您和您的团队在研究石墨烯时遇到过什么问题，又是如何解决的？

刘：目前国内号称石墨烯薄膜的制备可以做到百万平米每年，但实际上制备出来的产品质量还是比较差的。我们以一个简单的度量方式来看，单晶畴区越大质量越好，性能也就越好。我们一直在试图突破大的单晶薄膜，但这就意味着我们需要克服重重困难，从基础研究、理论高度去思考，再从实验及实践层面来解决问题。

我觉得我们最大的的突破就是把石墨烯展开到玻璃上，我们叫超级石墨烯玻璃。我们可以在任意玻璃上（透明的或带有颜色玻璃上）贴上一层石墨烯，我们叫超级石墨烯玻璃。

超级石墨烯玻璃的用途非常多，甚至我们认为有可能改变传统的玻璃行业。比如说，我们都知道玻璃是绝缘的，放上一层石墨烯之后，它就变成导电的了；玻璃是不导热的，放上一层石墨烯之后导热加强；且贴一两层石墨烯并不会影响到玻璃的透明性，但玻璃的实质却完全变了，我们可以利用石墨烯玻璃做触摸屏、智能窗。

此外超级石墨烯玻璃还可以应用在汽车领域，我们看到高端汽车玻璃后面会有很多线条，这些线条其实就是导电的电线。而如果用石墨烯玻璃就不需要这些导电线，因为玻璃本身就是导电的。加上电压之后就不需要贴膜了，它就可以除霜除雾，可以灵活调控变成深色或浅色。

这是我们团队发明的技术，但这之中也还面临着非常多的困难，比如说大规模制备、扩大产能等问题，但是我们对它充满期待，相信石墨烯玻璃会成为一个著名品牌。

03石墨烯未来之路在何方？

材：目前全球都在大力发展石墨烯，中国石墨烯产业发展得怎么样？

刘：中国在石墨烯产业化领域是走在世界前端的。这点可以从我们国家现在已建或在建的十七、八个石墨烯产业园就能明显感觉到，包括常州、无锡、深圳、重庆、青岛、哈尔滨等。国家政策以及各级政府都在大力推动石墨烯的产业化。

相对而言，我们比较关注石墨烯产品，而欧美等国则更多地是在宣传石墨烯技术，其实这只是处在不同的阶段。我们一般把它分成A、B、C三个阶段，初级阶段是产品、中期是技术，到最后肯定是产业化。

目前我觉得我们国家关注比较多的还是产品本身，技术研发需要投入大量的资金，需要耐心。在这一点上，我们也在向国家各个部门呼吁，要从总体来布局。从先发优势上来讲，中国石墨烯产业化是走在前列，但后期的长久的优势则取决于我们关注什么，我觉得这个布局特别重要。不仅仅要关注现在，还要关注未来的技术和更伟大的产业。

材：您觉得未来石墨烯最有可能在哪些领域率先实现大规模应用？

刘：我给石墨烯设计了三种未来：

第一个未来相当于碳纤维。大家知道碳纤维可以应用在航空航天上，做大飞机以及做飞机的发动机等，同时也应用到低端的如钓鱼竿、高尔夫球杆、自行车等领域。我相信石墨烯至少会像碳纤维那样在各个行当里面发挥它的优势。

石墨烯的第二个未来相当于塑料，我们都知道塑料已经应用到我们生活中的方方面面，未来石墨烯也有这种可能。因为现在很多产品都已经开始添加石墨烯，包括国内的石墨烯内衣、石墨烯袜子等。

第三种未来是比较高端的，像硅材料、硅芯片。硅这种材料是一个时代的代名词，就像历史上的石器时代、青铜时代等，硅材料改变了我们的精神生活，没有硅就没有手机、计算机。未来石墨烯也有可能成为一个时代的代名词，将来有可能取代硅，应用在集成电路等领域，速度更快、更轻、可折叠、可穿戴。

以上就是我可以想象到的石墨烯的三种未来，无论是哪种未来的实现，都将对我们的国民经济、日常生活带来非常大的影响。