-
邹(zou)小姐：13326633089 -
-
cac_sales@sina.com 
天然(ran)石墨以其独(du)特的(de)结构(gou)，使其具有导(dao)电(dian)性良好（电(dian)阻率8×10−6~13×10−6Ω.m）、可塑性(xing)(xing)强、摩擦系数小(xiao)（0.08~0.16）、耐高温、化(hua)学性(xing)(xing)质稳定、天然(ran)可浮性(xing)(xing)好等物化(hua)特(te)性(xing)(xing)，是多种工(gong)(gong)业(ye)(ye)(ye)必需的(de)关(guan)键原料。同时(shi)天然(ran)石(shi)墨具有(you)(you)用途广(guang)泛、深加工(gong)(gong)产(chan)品附加值高、产(chan)业(ye)(ye)(ye)链条长等特(te)点，除广(guang)泛应用于耐火材料、密封(feng)、铸造、导电材料等传统工(gong)(gong)业(ye)(ye)(ye)领(ling)域，在新能源(yuan)(yuan)、新一代电子信(xin)息(xi)技术、新能源(yuan)(yuan)汽车、高端(duan)装备制造业(ye)(ye)(ye)等新兴领(ling)域也具有(you)(you)广(guang)阔的(de)应用前景，被誉为“工(gong)(gong)业(ye)(ye)(ye)黑金”。下面(mian)小(xiao)编(bian)简要介绍天然(ran)石(shi)墨分选提纯及其深加工(gong)(gong)其应用。
一、天(tian)然石墨的结(jie)构
石墨(mo)为多键(jian)(jian)型晶(jing)体，具有(you)层(ceng)状晶(jing)体结构，其层(ceng)内(nei)(nei)碳原子(zi)(zi)(zi)(zi)与周围3个碳原子(zi)(zi)(zi)(zi)通过(guo)sp2杂(za)化形成(cheng)共价(jia)键(jian)(jian)，构成(cheng)类似蜂巢(chao)的(de)环状结构；层(ceng)间以分子(zi)(zi)(zi)(zi)间作用力（范德华(hua)力）相(xiang)连(lian)接，结合力较弱；层(ceng)内(nei)(nei)每个碳原子(zi)(zi)(zi)(zi)剩余(yu)的(de)一个具有(you)活性的(de)p电子(zi)(zi)(zi)(zi)则形成(cheng)类似于金属键(jian)(jian)自由(you)电子(zi)(zi)(zi)(zi)模(mo)型的(de)离域大(da)π键(jian)(jian)，因(yin)此石墨(mo)晶(jing)体结构中既有(you)共价(jia)键(jian)(jian)、分子(zi)(zi)(zi)(zi)键(jian)(jian)，亦有(you)金属键(jian)(jian)。
天然石墨的结构示(shi)意图
天然石墨独特的(de)结构决定了它的(de)物化特性，具有以下优(you)点：
（1）具有较强的(de)导热性、耐热性和化学(xue)稳定性；
（2）具有优(you)良的(de)导电(dian)性；
（3）具有(you)良好的(de)润滑性；
（4）具有良(liang)好的天然可浮(fu)性，其接触角θ一(yi)般为85°~86°，疏水性好，经浮(fu)选分(fen)离(li)可以得到固定碳(tan)含量90%以上的石墨。
天然石墨SEM
二(er)、石墨(mo)分(fen)选及提纯方法
天然石(shi)(shi)墨(mo)常会伴有(you)各种杂质(zhi)，难以被直(zhi)接利用，为(wei)了满足工业生产的要(yao)求(qiu)，必(bi)须(xu)对天然石(shi)(shi)墨(mo)进(jin)行富集、提纯，且石(shi)(shi)墨(mo)纯度越(yue)高其价值也越(yue)高。目前关于石(shi)(shi)墨(mo)的提纯方法(fa)(fa)主要(yao)有(you)浮选(xuan)法(fa)(fa)、化学法(fa)(fa)和(he)高温法(fa)(fa)三种。
1.浮选法
目前，工业生产中基本上所有(you)的天(tian)然石(shi)墨均采用浮选来进行分选，选矿技术采用多段磨矿、多段选别(bie)的工艺流程(cheng)，并在此(ci)基础(chu)上，针对不同性(xing)质的矿石(shi)研究(jiu)更有(you)效、更合理的设备及流程(cheng)，从而最大限(xian)度地(di)提高固定碳含量(liang)和保护石(shi)墨鳞片结(jie)构。
浮选法分选提纯(chun)天(tian)然石墨生产现(xian)场
该(gai)工艺优缺(que)点(dian)是
优点是(shi)：具有工艺流程成熟、设(she)备(bei)简单、能(neng)耗少(shao)、生产成本(ben)(ben)低等优点，使其具有明显的成本(ben)(ben)优势(shi)。
缺点是：浮选法对(dui)石(shi)(shi)墨(mo)的(de)(de)提(ti)纯(chun)(chun)能力有限(xian)，无法将部分浸染(ran)在石(shi)(shi)墨(mo)鳞片中的(de)(de)夹杂去(qu)除，提(ti)纯(chun)(chun)后的(de)(de)石(shi)(shi)墨(mo)固定碳(tan)含量很难超过(guo)95%。所(suo)以为了得到高(gao)纯(chun)(chun)石(shi)(shi)墨(mo)，必(bi)须采取(qu)化学(xue)法和高(gao)温法来进(jin)一步对(dui)石(shi)(shi)墨(mo)进(jin)行提(ti)纯(chun)(chun)。
2.化学法
化学法(fa)(fa)提纯(chun)依据石墨(mo)(mo)化学性质(zhi)的(de)稳(wen)定性，利用强酸(suan)、强碱或其(qi)他化合(he)物在(zai)一定条(tiao)件下处理(li)浮选石墨(mo)(mo)精矿，通(tong)过溶解其(qi)中(zhong)的(de)杂质(zhi)，除(chu)去杂质(zhi)，提纯(chun)石墨(mo)(mo)。化学法(fa)(fa)主(zhu)要包括4种：碱熔酸(suan)浸法(fa)(fa)、氢(qing)氟(fu)酸(suan)法(fa)(fa)、混酸(suan)法(fa)(fa)、氯化焙烧(shao)法(fa)(fa)。
（1）碱熔酸浸法
碱熔酸(suan)浸法是利用石墨中的(de)杂(za)(za)质(zhi)在500℃以上(shang)的(de)高温下与NaOH 反应，一部分杂(za)(za)质(zhi)（硅酸(suan)盐等(deng)）生成溶于水(shui)的(de)反应产物，被水(shui)浸出(chu)洗涤除去；另(ling)一部分杂(za)(za)质(zhi)（Al2O3、Fe2O3、MgO、CaO 等金(jin)属氧化(hua)物(wu)(wu)）在碱熔后生成(cheng)不溶于(yu)水(shui)的沉淀物(wu)(wu)，经盐酸中和生成(cheng)溶于(yu)水(shui)的氯(lv)化(hua)物(wu)(wu)，通过清水(shui)洗涤而去除。
碱熔(rong)酸浸(jin)法(fa)提(ti)纯天然石墨的工艺(yi)流程
（2）氢氟酸法
氢氟(fu)酸法(fa)是利用石(shi)墨中的杂质(zhi)和氢氟(fu)酸发生(sheng)反应(ying)，一(yi)部(bu)分杂质(zhi)（Na2O、K2O、Al2O3等）生成溶于水(shui)的化(hua)合物，随溶液排出；另一部分杂(za)质（CaSiO3、CaO、MgO、Fe2O3等）与HF反应生成(cheng)不溶(rong)于水(shui)的(de)化(hua)合物，通过加入H2SiF6使其生成(cheng)溶于水(shui)(shui)的(de)氟(fu)硅(gui)酸盐，用清水(shui)(shui)洗(xi)涤，将杂质溶液与石(shi)(shi)墨(mo)固(gu)液分离，从(cong)而提(ti)纯石(shi)(shi)墨(mo)。
氢(qing)氟(fu)酸法提纯(chun)石墨工艺(yi)流程
（3）混酸法
混酸法主要采(cai)用(yong) HF/HCl、HF/H2SO4、HF/HCl/H2SO4等(deng)混酸体系，生产中先(xian)后将HF、H2SO4、HCl 加入石墨(mo)中，每加入一种酸(suan)后都要充分搅拌(ban)，使其能够混合(he)均匀(yun)且反(fan)应完(wan)全。反(fan)应完(wan)毕后，用工业清洁水(shui)反(fan)复清洗(xi)，直至中性；再(zai)用纯水(shui)清洗(xi)2~5遍；最后进(jin)行(xing)脱水(shui)、干燥、包装。
（4）氯化焙烧法
氯(lv)化焙(bei)烧法是(shi)向石墨(mo)中加入一定量的(de)还原(yuan)剂（如焦(jiao)炭(tan)），在一定温度(du)（1000℃以上(shang)）和特定气氛(fen)条件(jian)下通(tong)入氯(lv)气进行氯(lv)化焙(bei)烧，使石墨(mo)中的(de)有价金属(shu)杂质转变为熔沸点较低的(de)氯(lv)化物(wu)或络合(he)物(wu)而逸出，从而达到提(ti)纯石墨(mo)的(de)目的(de)。
氯化焙烧原理装置示(shi)意(yi)图
|
名(ming)称 |
优点(dian) |
缺点 |
应(ying)用(yong)情况 |
|
碱熔酸(suan)浸法(fa) |
具有一次性投(tou)资少、石(shi)墨(mo)碳含(han)量高(gao)等特点，经碱熔酸浸法(fa)提纯的石(shi)墨(mo)固定(ding)碳含(han)量可达99%以上。 |
制备得到99.9%的(de)固定(ding)碳含量(liang)则(ze)比较困(kun)难。同时该方法大(da)量(liang)使(shi)用(yong)酸碱溶液(ye)，容易腐蚀(shi)设备，产生的(de)废(fei)水污染(ran)严(yan)重(zhong)。 |
碱(jian)熔酸浸法(fa)是(shi)我(wo)国(guo)石墨(mo)提纯产(chan)业中应用最为广泛的方法(fa)。 |
|
氢氟(fu)酸法(fa) |
该方(fang)法流(liu)程(cheng)简单(dan)，除杂(za)效率高，且HF对高纯石墨(mo)的性(xing)能影(ying)响很小，可获得含碳量很高、性(xing)能优(you)异的石墨(mo)产(chan)品。 |
氢氨酸或HF气体有剧毒，对设备腐蚀性(xing)大，对环境污染也很严重(zhong)，使其应用受到限制。 |
在我国采用此方法的(de)企业并不多(duo)。 |
|
混酸法(fa) |
相较于氢氟酸(suan)法(fa)，混酸(suan)法(fa)减(jian)少了(le)HF的用量，降低(di)了(le)对环境的污染，节省了(le)生(sheng)产(chan)成(cheng)本。 |
/ |
/ |
|
氯化焙(bei)烧法 |
该方法具有能(neng)耗低、提纯(chun)效(xiao)率高等优点。 |
设备(bei)复杂、工艺稳定性(xing)不(bu)好(hao)、所用的氯气有(you)毒、对环境污染比较严重、产品固定碳含量有(you)限（98%左右）等诸多不(bu)利因素限制了氯化焙烧(shao)工艺的应用与推广 |
该方法(fa)有待进(jin)一步改进(jin)和完(wan)善。 |
3.高温法
高温法(fa)根(gen)据(ju)加(jia)热(re)(re)(re)源的(de)不(bu)同，可(ke)分为(wei)电阻(zu)加(jia)热(re)(re)(re)提(ti)(ti)纯(chun)、感应加(jia)热(re)(re)(re)提(ti)(ti)纯(chun)、等离子加(jia)热(re)(re)(re)提(ti)(ti)纯(chun)、射(she)频加(jia)热(re)(re)(re)提(ti)(ti)纯(chun)、光能加(jia)热(re)(re)(re)提(ti)(ti)纯(chun)以(yi)及(ji)微(wei)波(bo)加(jia)热(re)(re)(re)提(ti)(ti)纯(chun)六(liu)种方法(fa)。其基本(ben)原理都是依据(ju)石墨(mo)的(de)熔(rong)沸点远高于其所含杂质的(de)熔(rong)沸点，在高温条件下(xia)实现石墨(mo)与(yu)杂质的(de)分离来提(ti)(ti)纯(chun)石墨(mo)，最终可(ke)以(yi)得(de)到含碳量为(wei)99.99%以(yi)上(shang)的(de)高纯(chun)石墨(mo)。
高温法提纯天(tian)然(ran)石墨(mo)优点是：能(neng)够获得碳含量高于99.99%的(de)高纯石墨，甚至(zhi)可达(da)99.995%以上，但同时该(gai)方(fang)法对原料纯度、物料细度及(ji)设备(bei)工艺的(de)要(yao)求较高，能(neng)耗高，所需(xu)投资巨大。因此(ci)，该(gai)方(fang)法目前(qian)的(de)运用领(ling)域有限，主(zhu)要(yao)应用于对石墨质(zhi)量要(yao)求很高的(de)航空航天、国(guo)防及(ji)核工业等特(te)殊领(ling)域。
二、天然石墨的深加工应用
目前(qian)，天(tian)然石(shi)墨(mo)深加工产(chan)品已经成(cheng)为新(xin)兴(xing)产(chan)业(ye)(ye)的重要组成(cheng)部分，产(chan)业(ye)(ye)关联性极(ji)强，产(chan)品附加值巨大，膨胀(zhang)石(shi)墨(mo)、氟(fu)化(hua)石(shi)墨(mo)、锂离子(zi)电池用球形石(shi)墨(mo)、石(shi)墨(mo)烯等已广(guang)泛应用于节能(neng)环保、新(xin)能(neng)源、新(xin)一(yi)代电子(zi)信息技术、新(xin)能(neng)源汽车、高(gao)端(duan)装备(bei)制(zhi)造业(ye)(ye)、新(xin)材(cai)料(liao)产(chan)业(ye)(ye)、生(sheng)物医学(xue)等新(xin)兴(xing)领域(yu)。
1.石墨层间化合物
石墨(mo)(mo)(mo)层间化(hua)(hua)合(he)(he)物(wu)(wu)属于(yu)新型功能材(cai)料，在各工业(ye)领(ling)域被广(guang)泛(fan)应(ying)用于(yu)耐高温、抗腐蚀、防氧化(hua)(hua)、高导(dao)电性(xing)、密封性(xing)以(yi)及润滑性(xing)材(cai)料。按夹层物(wu)(wu)质的(de)(de)性(xing)质及石墨(mo)(mo)(mo)与(yu)夹层剂之间的(de)(de)作(zuo)用方(fang)式，石墨(mo)(mo)(mo)层间化(hua)(hua)合(he)(he)物(wu)(wu)可分为(wei)离子型、共价键型和(he)分子型三(san)种。其中应(ying)用最(zui)为(wei)广(guang)泛(fan)的(de)(de)石墨(mo)(mo)(mo)层间化(hua)(hua)合(he)(he)物(wu)(wu)为(wei)膨(peng)胀石墨(mo)(mo)(mo)和(he)氟(fu)化(hua)(hua)石墨(mo)(mo)(mo)。
（1）膨胀石(shi)墨
膨胀石(shi)墨(mo)(mo)是天(tian)然鳞片石(shi)墨(mo)(mo)经酸性氧化(hua)剂处理后得到的石(shi)墨(mo)(mo)层间化(hua)合(he)物。制备膨胀石(shi)墨(mo)(mo)的工艺方法都是基于插(cha)层-膨化(hua)的基本原理。
膨(peng)胀石(shi)墨应用(yong)示意图
密(mi)封材料(liao)领域：膨胀石墨经过加压成型制成一种性(xing)能优异的密(mi)封材料—柔性(xing)石墨，它的热膨胀系数小（1×10−6~30×10−6K），在(zai)(zai)温度(du)变化较大的(de)情况下(xia)仍(reng)具(ju)有(you)良好(hao)的(de)密封(feng)性(xing)，在(zai)(zai)低温下(xia)不发脆、不开裂，在(zai)(zai)高温下(xia)不软(ruan)化、不变形(xing)，具(ju)有(you)很好(hao)的(de)热(re)稳定(ding)性(xing)。同时具(ju)有(you)质(zhi)轻、润滑性(xing)、耐高温性(xing)、化学稳定(ding)性(xing)、耐酸碱腐蚀(shi)性(xing)、可塑性(xing)和回弹性(xing)好(hao)等优(you)良特征。
膨(peng)胀石墨密封圈(quan)
环保领域：膨胀石墨具有(you)发达的(de)网状孔结构、较高的(de)比表面(mian)积、表面(mian)活性(xing)以及(ji)(ji)良好的(de)疏水(shui)性(xing)和(he)亲油(you)性(xing)，膨胀石墨应(ying)用于环境保护(hu)方(fang)面(mian)，有(you)利于从海上、河流、工业(ye)废水(shui)中除去油(you)类及(ji)(ji)有(you)机成分，对处(chu)理(li)原油(you)外泄事故(gu)、工业(ye)废水(shui)处(chu)理(li)等(deng)有(you)很大的(de)用途。
膨胀石墨网状孔结(jie)构SEM
导电材料领域：膨(peng)胀石墨作为导电(dian)(dian)填料制备聚(ju)合(he)物(wu)(wu)基导电(dian)(dian)复合(he)材(cai)(cai)料时(shi)，可以明显(xian)提高(gao)高(gao)分子(zi)材(cai)(cai)料的导电(dian)(dian)性，降低(di)聚(ju)合(he)物(wu)(wu)导电(dian)(dian)渗滤阈值，而且可以通过调节膨(peng)胀石墨的用量来改变(bian)聚(ju)合(he)物(wu)(wu)的导电(dian)(dian)性能。
膨胀石墨作为(wei)导(dao)电(dian)填(tian)料制备聚合(he)(he)物基(ji)导(dao)电(dian)复合(he)(he)材料
生物医学领域：膨胀石墨与人体具(ju)有优异的生(sheng)(sheng)物相容性(xing)，对有机分子(zi)、生(sheng)(sheng)物大分子(zi)等具(ju)有良好(hao)的吸(xi)附性(xing)，且(qie)无(wu)(wu)毒、无(wu)(wu)味、无(wu)(wu)副(fu)作用(yong)，在生(sheng)(sheng)物医学(xue)材料(liao)上(shang)有着广泛的应用(yong)前景。研究表明，膨胀石墨对烧(shao)伤(shang)(shang)创面渗出(chu)物的吸(xi)附量是(shi)普(pu)通纱布的3~4倍，且(qie)无(wu)(wu)毒无(wu)(wu)害(hai)、透(tou)气(qi)透(tou)水、不易与烧(shao)伤(shang)(shang)创面黏结，可以代替(ti)50%~80%的传统(tong)纱布敷料(liao)用(yong)于烧(shao)伤(shang)(shang)创面。
化(hua)工催化(hua)领域(yu)：膨胀(zhang)石墨具有较(jiao)大比表面积的层状结(jie)构、发达(da)的网络(luo)孔结(jie)构及良好的热稳定性等(deng)优(you)点，同(tong)时(shi)分子(zi)、离子(zi)等(deng)均可嵌入其(qi)结(jie)构内，是(shi)催化(hua)(hua)剂(ji)载(zai)(zai)体的理想材(cai)料(liao)。目前，将膨胀(zhang)石墨用于光催化(hua)(hua)剂(ji)载(zai)(zai)体已得(de)到实验(yan)验(yan)证，相比其(qi)他催化(hua)(hua)剂(ji)载(zai)(zai)体材(cai)料(liao)，膨胀(zhang)石墨具有催化(hua)(hua)活(huo)性高、反应时(shi)间短(duan)、对设(she)备腐烛小、不(bu)污(wu)染环境(jing)、易(yi)分离及再生简单(dan)等(deng)优(you)点。
膨胀石墨-二氧化(hua)钛复合(he)光催化(hua)剂SEM
目前，我国膨胀(zhang)(zhang)石(shi)(shi)墨(mo)制品(pin)还是以低端(duan)的密封填料为主，在汽车密封、核电工业、航(hang)空航(hang)天、生(sheng)物医(yi)学等领域的应用(yong)较少(shao)，但随着我国膨胀(zhang)(zhang)石(shi)(shi)墨(mo)技术的发展(zhan)，高端(duan)膨胀(zhang)(zhang)石(shi)(shi)墨(mo)产品(pin)的比例将会逐步增加。
（2）氟化石墨
氟化(hua)石(shi)墨是(shi)氟及其(qi)化(hua)合物(wu)插入天然(ran)石(shi)墨层间而(er)制成(cheng)的(de)氟系层间化(hua)合物(wu)，是(shi)美(mei)国、日本等国于20世纪70年代(dai)研究出的(de)一种新型材(cai)料(liao)。制备(bei)氟化(hua)石(shi)墨的(de)工(gong)艺方法(fa)都(dou)是(shi)基于插层的(de)基本原(yuan)理，将氟及其(qi)化(hua)合物(wu)插入石(shi)墨层间，可归纳为气相(xiang)法(fa)、固相(xiang)法(fa)和电(dian)解法(fa)三类方法(fa)。氟化(hua)石(shi)墨可在(zai)电(dian)池材(cai)料(liao)、核(he)反应堆防吸(xi)附(fu)材(cai)料(liao)、润(run)滑剂等多个领(ling)域中(zhong)使用。
氟化(hua)石(shi)墨(mo)SEM
2.球形石墨
球形石墨是(shi)以天然石墨为(wei)原料，经过特殊的粉碎加工工艺(yi)对(dui)其表面进(jin)行改(gai)性处(chu)理(li)后(hou)得到的细度不同的近球形石墨颗粒。
目前市(shi)场上(shang)一般要(yao)求其固定碳含(han)量在99.95%以(yi)上(shang)，球(qiu)(qiu)形(xing)度为90%以(yi)上(shang)。球(qiu)(qiu)形(xing)石墨具(ju)(ju)有(you)结晶配(pei)向好、球(qiu)(qiu)形(xing)化高、颗粒(li)表(biao)面缺陷少、粒(li)度分布集中(zhong)、振实密度大(da)、比表(biao)面积(ji)小(xiao)和品质稳(wen)定等(deng)(deng)特点(dian)。同时球(qiu)(qiu)形(xing)石墨还具(ju)(ju)有(you)气孔率(lv)低(di)、抗氧化性(xing)能(neng)好、结构均匀细腻、孔洞缺陷小(xiao)、弹性(xing)适中(zhong)及易(yi)于成型等(deng)(deng)优点(dian)，使(shi)(shi)之正成为一种(zhong)性(xing)能(neng)优越的新型材料被研(yan)究和使(shi)(shi)用。其生产(chan)工艺如下图(tu)：
球形(xing)石墨的生产工艺
球(qiu)形石(shi)(shi)墨属于(yu)天然(ran)石(shi)(shi)墨的高附(fu)加值产品，因其具有(you)良好的结晶度、较高的理论嵌锂(li)容量，可(ke)用于(yu)锂(li)离子电池负极材料的生产；且球(qiu)形石(shi)(shi)墨粒度分布集中、振实密度大、品质稳定，也可(ke)用于(yu)燃料电池等领域。
球(qiu)形(xing)石墨SEM
锂离子电池(chi)负极(ji)材(cai)料：目前(qian)锂(li)离子电(dian)池(chi)负(fu)极(ji)(ji)材(cai)料主(zhu)要(yao)以(yi)人(ren)造石(shi)(shi)墨(mo)和天然石(shi)(shi)墨(mo)为(wei)主(zhu)。研究者通过对(dui)天然石(shi)(shi)墨(mo)球形(xing)化处理以(yi)及对(dui)球形(xing)石(shi)(shi)墨(mo)的改(gai)性处理，可(ke)明显改(gai)善天然石(shi)(shi)墨(mo)负(fu)极(ji)(ji)材(cai)料的比容量、首次循(xun)(xun)环(huan)(huan)效(xiao)率和循(xun)(xun)环(huan)(huan)性能等关键指(zhi)标。以(yi)天然石(shi)(shi)墨(mo)为(wei)原料生产锂(li)离子电(dian)池(chi)，此(ci)流程(cheng)相较于生产人(ren)造石(shi)(shi)墨(mo)电(dian)极(ji)(ji)，不需要(yao)复杂的石(shi)(shi)墨(mo)化工序，显著(zhu)节能，可(ke)有效(xiao)降低(di)生产成本。
天然石墨应用于锂电(dian)池负极材料加工(gong)工(gong)艺流程图(tu)
燃料电池领域：球形(xing)石墨因其良好(hao)的特性可用作(zuo)燃(ran)(ran)料电(dian)池板的原材料及固(gu)体燃(ran)(ran)料电(dian)池阳极支撑体的造孔剂。
3.石墨烯
高纯天然石(shi)(shi)墨(mo)的(de)层间作用力比较弱，很(hen)容易(yi)被剥离(li)形(xing)成很(hen)薄的(de)石(shi)(shi)墨(mo)片，当把石(shi)(shi)墨(mo)剥离(li)成单层之后，这种由碳原(yuan)子(zi)以sp2杂化轨道组成的(de)只有单个碳原(yuan)子(zi)厚度的(de)二维碳质新材料就是石(shi)(shi)墨(mo)烯。
石墨(mo)烯结构示(shi)意(yi)图
石(shi)墨烯(xi)(xi)同(tong)时(shi)具(ju)有面内的(de)碳碳σ键和面外的(de)π电子(zi)，因此它不仅(jin)具(ju)有很高的(de)结(jie)构稳定性(xing)和热(re)化学稳定性(xing)，还可以进行适当的(de)官能团修饰，制(zhi)造复合材料，获得丰富的(de)化学性(xing)质。因此石(shi)墨烯(xi)(xi)应用前(qian)景极其广(guang)阔，在各工(gong)业领域里均被(bei)广(guang)泛应用，被(bei)称为(wei)“新材料之王(wang)”。自 2004年(nian)石(shi)墨烯(xi)(xi)首次被(bei)制(zhi)备出来(lai)后，其各种制(zhi)备方法(fa)(fa)相继被(bei)研发出来(lai)，在众多方法(fa)(fa)中，比较成熟的(de)制(zhi)备方法(fa)(fa)有微机械剥离法(fa)(fa)、外延生(sheng)长法(fa)(fa)、化学气相沉积法(fa)(fa)（CVD 法(fa)(fa)）及氧化石(shi)墨-还原法(fa)(fa)等。
|
制(zhi)备方法(fa) |
工艺(yi) |
优点 |
缺点 |
|
微机械剥离(li)法 |
依据(ju)石(shi)墨(mo)层间的结合力(li)(li)（范德华力(li)(li)）较弱，通过外加力(li)(li)将石(shi)墨(mo)烯直接从石(shi)墨(mo)上“撕 揭(jie)”下来。其所用原料主要(yao)天(tian)然鳞片石(shi)墨(mo)。 |
操(cao)作相对简单，可(ke)得到纯度高、结构完整、物(wu)化性能未被破(po)坏的高质量产品，宜用于理论研究。 |
产品尺寸较小、存在很大不确定性、对(dui)设备要求高、产量小、 效率低、成本高、不(bu)宜大(da)规(gui)模生产
|
|
外延生长(zhang)法 |
在高度真(zhen)空条件下，通过高温加热表面经过处(chu)理(li)的(de)SiC单晶体(ti)(ti)，使SiC晶体(ti)(ti)中的(de)Si升华而(er)制出(chu)基于SiC衬底的(de)石墨(mo)烯。 |
控制温度可获得(de)不同厚度的产品(pin)，所(suo)得(de)石(shi)墨烯可以直接进行表(biao)征测试，适合理(li)论研(yan)究。 |
制备(bei)条件苛刻、成本高、产品(pin)厚度不均一、物化性(xing)质有破坏、不易从衬底分离(li)、不宜大(da)规模生产。 |
|
CVD法(fa) |
CVD 法(fa)是通(tong)过一定的(de)(de)手(shou)段 （高温、微波） 将(jiang)含碳(tan)(tan)(tan)化(hua)合物分解(jie)成(cheng)碳(tan)(tan)(tan)原子，使其沉(chen)积到(dao)衬(chen)(chen)底表面(mian)并扩(kuo)散生成(cheng)规整的(de)(de)碳(tan)(tan)(tan)膜(mo)，再将(jiang)衬(chen)(chen)底除(chu)去即可得到(dao)单层(ceng)或(huo)多层(ceng)的(de)(de)石墨(mo)烯。CVD 法(fa)可以通(tong)过控制含碳(tan)(tan)(tan)化(hua)合物的(de)(de)流量(liang)、衬(chen)(chen)底的(de)(de)种(zhong)类以及(ji)反应(ying)的(de)(de)温度来得到(dao)不同面(mian)积、层(ceng)数的(de)(de)石墨(mo)烯，是生产石墨(mo)烯最具(ju)潜力的(de)(de)一种(zhong)方(fang)法(fa)。 |
产量(liang)可(ke)观、产品尺寸较大、均(jun)匀性好(hao)、质量(liang)高、可(ke)控(kong)性好(hao)。 |
设备要求高、工艺复杂、成(cheng)本较高、石墨烯转移过程复杂、操作条件(jian)苛(ke)刻。 |
|
氧化石墨(mo)-还原法 |
主要(yao)包括石墨(mo)的(de)氧化、氧化石墨(mo)的(de)剥离以及石墨(mo)烯(xi)氧化物的(de)还原三个过程。 |
设备简单、产量高、成本较低(di)、生产周期短(duan)、操作简单。 |
产品(pin)结构有缺陷(xian)、物化性质有破(po)坏、设(she)备(bei)腐蚀严重、环境污染 较大 |
氧化石(shi)墨-还原法制备(bei)石(shi)墨烯的基本原理
目(mu)前，随(sui)着石(shi)墨烯的(de)研究和产业化的(de)持续发展，其生产应用(yong)得到(dao)了(le)进(jin)一步发展，主要应用(yong)如(ru)下：
（1）传感器领域
石(shi)墨(mo)烯(xi)(xi)是用(yong)作光学传(chuan)感(gan)器(qi)(qi)(qi)、化学及电(dian)化学传(chuan)感(gan)器(qi)(qi)(qi)、生(sheng)物(wu)传(chuan)感(gan)器(qi)(qi)(qi)的(de)良好材料(liao)。哈尔滨(bin)工业大学潘昀路教授(shou)团(tuan)队(dui)研究提出了一(yi)种(zhong)超(chao)柔性(xing)和透明的(de)基于(yu)石(shi)墨(mo)烯(xi)(xi)的(de)场效应晶体(ti)(ti)(ti)管 (GFET) 可(ke)穿戴纳米传(chuan)感(gan)器(qi)(qi)(qi)，用(yong)于(yu)检测体(ti)(ti)(ti)液生(sheng)物(wu)标(biao)志(zhi)(zhi)物(wu)。纳米传(chuan)感(gan)器(qi)(qi)(qi)被一(yi)种(zhong)受(shou)体(ti)(ti)(ti)功能化，该(gai)受(shou)体(ti)(ti)(ti)可(ke)以与生(sheng)物(wu)标(biao)志(zhi)(zhi)物(wu)特异(yi)性(xing)结合(he)，从而导致(zhi)石(shi)墨(mo)烯(xi)(xi)的(de)载体(ti)(ti)(ti)浓度发(fa)生(sheng)可(ke)检测的(de)变化。从100次变形循环(huan)（半径175m弯曲、150 °折(zhe)叠和 50%收缩）恢(hui)复后(hou)，未观察到可(ke)见的(de)机械损伤，并且纳米传(chuan)感(gan)器(qi)(qi)(qi)的(de)电(dian)性(xing)能也高度一(yi)致(zhi)。
石(shi)墨烯场效应晶体(ti)管 (GFET) 可穿戴纳米传(chuan)感器
（2）半导体(ti)领域
石墨烯(xi)具(ju)有电(dian)阻率小、热导率高(gao)的(de)优(you)点，被认为是(shi)最(zui)理想的(de)电(dian)极和(he)半(ban)导体(ti)材(cai)料(liao)(liao)，也(ye)最(zui)有希望成(cheng)为“硅”的(de)替代品，用(yong)来制(zhi)造全新的(de)石墨烯(xi)半(ban)导体(ti)器件。美国(guo)宾夕法(fa)尼(ni)亚(ya)州立大学(xue)材(cai)料(liao)(liao)科学(xue)家以(yi)天然(ran)石墨未原(yuan)料(liao)(liao)，采用(yong)机械剥离(li)法(fa)制(zhi)备石墨烯(xi)，然(ran)后通过石墨烯(xi)辅助的(de)迁(qian)移增强(qiang)封装生长法(fa)（MEEG）法(fa)，首次合(he)成(cheng)二维(wei)氮化镓材(cai)料(liao)(liao)，其具(ju)备的(de)优(you)异电(dian)子性能和(he)强(qiang)度将产生颠覆性应(ying)用(yong)效(xiao)果(guo)。
石墨(mo)烯辅助迁移增强封(feng)装生(sheng)长法法合成氮化镓材料示意图
（3）显示及储能领域
石墨烯(xi)具有(you)质(zhi)轻、膜 薄、强度大(da)、柔韧性好、透光性极好等(deng)(deng)特点，可代替目前的透明(ming)电(dian)极材料氧化(hua)铟锡（ITO）和氧化(hua)氟锡（FTO），在触摸屏、显示(shi)器、太阳能电(dian)池(chi)等(deng)(deng)方面具有(you)很(hen)好的应用前景。
（4）生(sheng)物(wu)医学(xue)领域
在生(sheng)物(wu)(wu)(wu)医学领域(yu)，石墨烯(xi)独特的二(er)维层状(zhuang)结构及良好(hao)的生(sheng)物(wu)(wu)(wu)相容性使(shi)其具有广泛的应(ying)用。目前(qian)，石墨烯(xi)及其衍生(sheng)物(wu)(wu)(wu)在生(sheng)物(wu)(wu)(wu)医药(yao)(yao)领域(yu)的应(ying)用主要(yao)集中(zhong)在生(sheng)物(wu)(wu)(wu)传感(gan)器、药(yao)(yao)物(wu)(wu)(wu)载体、光线(xian)疗法及生(sheng)物(wu)(wu)(wu)成像(xiang)等方面。
石(shi)墨烯应(ying)用(yong)于医(yi)用(yong)一(yi)次性口罩
（左图为(wei)石(shi)墨烯(xi)(xi)熔(rong)喷布滤材示(shi)意(yi)图，右图为(wei)某企业捐(juan)赠上(shang)海抗疫石(shi)墨烯(xi)(xi)医用口罩）
参考(kao)文(wen)献：
1、刘玉(yu)海，李海明，碱(jian)酸(suan)法(fa)制备高(gao)纯石墨(mo)试(shi)验研(yan)究，矿产保护与利用
2、付猛(meng)，王荣飞，赵晓兵，膨胀石墨的(de)表面(mian)修饰及其对(dui)甲醛吸(xi)附(fu)性能(neng)研(yan)究，功能(neng)材料(liao)
3、王光民，高纯(chun)石墨生产工艺探(tan)讨(tao)，非(fei)金属矿(kuang)
4、杨玉芬，陈湘彪，盖国胜，天然(ran)石(shi)墨球形化工艺(yi)研究，过程工程学报
5、朴正杰(jie)，时杰(jie)，吕宪俊，氟化石墨(mo)的加(jia)工技术及(ji)其应(ying)用新(xin)进展(zhan)，化工新(xin)型材料
6、牟铭，顾(gu)宝珊，王仕东，石墨(mo)烯及(ji)其复合材(cai)料(liao)在水处(chu)理中的研究进展，化工新型材(cai)料(liao)。
昕玥
