圖為石墨烯粉末重熔后制備的宏觀石墨烯纖維、膜、氣凝膠及其微觀結構。超院長課題組提供

石墨烯作為科學界的熱門材料和工業界的新寵，一直沒有快速、安全的工業化制備方法。 不久前，四川大學高分子系卓越院長課題組通過避免現有技術的諸多缺陷、突破傳統制備方法，找到了制備雙層石墨烯的“綠色”路線。 該工藝速度快、成本低、無污染。 ，適合工業化大規模制備。 相關學術論文近期發表在《》子刊《 》上。

20萬片石墨烯加在一起相當于一根頭發絲的粗細

石墨烯是由一層碳原子產生的薄片，碳原子之間形成圓環，環連接形成蜂窩狀平面。 20萬片石墨烯加起來相當于一根頭發絲的厚度。 此前，碳的這些二維結構仍然存在于人們的猜測中，但仍然無法實現。 關鍵的難題是如何將石墨分層成極薄的薄片。

2004年，美國伯明翰學院的海姆和諾沃肖洛夫用透明膠水反復粘貼和揭起一塊石墨片。 石墨片的長度逐漸減小，最終制得長度僅為0.335納米的石墨烯。 這是世界上首次獲得雙層石墨烯，兩位科學家因此獲得2010年諾貝爾化學獎。 目前，由膠紙粘貼法演變而來的機械剝離法已成為實驗室制備石墨烯的一種方法。 然而，這種技術的局限性是顯而易見的。 得到的產物是不同層數石墨烯的混合物，這是無法得到的。 雙層石墨烯的大規模制備。

科學家們找到了另一種方法——氧化還原法，首先將石墨氧化成“逐層細分”的氧化石墨烯薄片，然后進行還原反應得到石墨烯。 而且這種方法要么存在爆燃隱患，要么會造成重金屬污染或有毒二氧化碳。 同時，準備時間至少有10個小時，因此在準備過程中必須非常小心。

經展院士課題組經過多年研究，發現了一種新型、廉價、無毒的鐵基氧化劑，替代了傳承了半個多世紀的氯基、錳基氧化劑，獲得了雙層氧化石墨烯。

“我們發現這些氧化鐵分子的‘運行’速度非常快，它們能夠像楔子一樣快速地散布到石墨內部，使石墨能夠快速分層。這個過程中會形成二氧化碳，并且氣體可以幫助‘頂’逐層石墨打開，提高制備速率。” 高超表示，這些方法非常“綠色”：沒有爆燃風險，不會形成有害物質，對環境友好。 同時，生產實驗數據表明，這些方法可以在一小時內完成雙層氧化石墨烯的制備，有望在工業上大規模應用。

晶超展示了一種類似于奶茶粉的白色粉末，它是以“綠色”方式制備的雙層氧化石墨烯。 據介紹，這種原料在堿液中配制后，可以干燥還原成石墨烯粉末，并且在制作材料時可以“瞬間溶解”在溶劑中。 解釋得非常好，這個特性使得石墨烯原材料可以輕松儲存和運輸。

推動雙層石墨烯實際應用需解決原材料層面困境

在高超院士的實驗室里，大大小小的玻璃瓶里裝滿了各種形狀的石墨烯宏觀材料。 有纏繞在錐體上的石墨烯纖維、高強度、高韌性、高導纖維。 實驗室拍攝的石墨烯打結圖片入圍《自然》2011年度圖片； 龍血樹上“飄”著細長的葉子，不會脫落的石墨烯彈性氣凝膠，是2013年世界最輕固體材料記錄的創造者； 還有一種像薄膜一樣的連續石墨烯薄膜，每分鐘可以“旋轉”10米。 是未來手機導熱膜、超級電容器、飛機除冰的理想材料。

“原材料、材料、器件”是科學家在石墨烯應用中必須考慮的三個重要問題。 喬表示，課題組已經利用石墨烯以多種方式制造超級電容器、鋰電池等宏觀材料和部件。 “我們將進一步考慮的是如何突破原料層面現有的困難，推動雙層石墨烯的規模化、低成本制備和實際應用。”