《氧化石墨烯的制備及應用現狀》

氧化石墨烯是石墨粉末經化學氧化及剝離后的產物，其顏色為棕黃色；市面上常見的產品有粉末狀，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十微米。氧化石墨烯具有sp2和sp3雜化結構，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、半導體、航空航天等場景下的新興應用不斷涌現，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，同樣受到了產業(yè)界的大力推廣和應用。

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。目前國內較常使用的石墨烯量產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，從生產成本、產品質量等多方面考慮，化學氧化法是當前適合大規(guī)模生產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生大量廢酸，解決大規(guī)模生產工藝和處理廢液成為很多石墨烯生產企業(yè)遇到的棘手問題。墨睿科技氧化石墨烯產業(yè)化項目在工藝技術和生產選址上做了充分規(guī)劃，將工廠建在配套完整的化工園區(qū)內，同時實現原材料就地取材和尾液循環(huán)使用，轉化為有用化工產品，實現綠色環(huán)保和可持續(xù)的規(guī)模化氧化石墨烯生產。

 氧化石墨烯一般由石墨經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，是目前量產氧化石墨烯的最常用方法，其制備步驟主要包括：（1）預氧化階段；（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)模化生產對生產工藝要求更高，在整個生產過程中，反應過程復雜，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、反應時間等，進而才能提高氧化石墨烯的品質，特別是控溫工藝技術，它是保證產品穩(wěn)定性的關鍵因素。

據前瞻產業(yè)研究院預估，到2025年全球石墨烯原料市場規(guī)模將超過20億美元。從石墨烯原料的產品結構來看，石墨烯主要包括氧化石墨烯、石墨烯納米片(GNP)和其它產品，而其它石墨烯產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，占據著60%以上的市場份額。

      面對氧化石墨烯在應用領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企業(yè)在緊鑼密鼓地進行產能擴建。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氧化石墨烯產能產線的搭建與調試。隨著氧化石墨烯產能不斷提升，應用關鍵技術不斷突破，其下游應用市場將不斷打開，那么氧化石墨烯的下游應用情況又如何呢？

氧化石墨烯下游應用

      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構，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。利用這些獨特的性能，氧化石墨烯可被應用到眾多領域。

      在復合材料方面，氧化石墨烯可增強材料本身的熱學和電學性能。據相關石墨烯企業(yè)的官網信息顯示，廈門凱納利用改性石墨烯做導熱填料，開發(fā)出石墨烯碳塑合金等產品；東旭光電、山東晶泰星已經實現了石墨烯散熱LED燈的產業(yè)化應用。而墨睿科技也開發(fā)出多款石墨烯改性復合材料，例如石墨烯改性導熱PC材料，將熱導率由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。它們可應用于LED照明、散熱器、電池箱殼、電子封裝基板等領域。

       除了作為導熱填料，氧化石墨烯還可制備成純的石墨烯導熱膜，應用于散熱要求較高的設備上。根據工信部發(fā)布的《石墨烯熱控材料在華為5G產品中得到創(chuàng)新應用》報告稱，2018年石墨烯導熱膜在華為 Mate 20X 得到首次應用之后，華為2020年發(fā)布的國內首款5G平板華為MatePad Pro 5G也采用了石墨烯散熱技術，石墨烯導熱膜總厚度可達到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，紅米K30 pro手機中同樣也采用了石墨烯導熱膜。墨睿科技在此應用領域早已進行布局，導熱系數高于1300W/m·K的石墨烯導熱膜已經實現大批量生產，而實驗室正在開發(fā)下一代導熱膜的導熱系數也達到1700W/m·K。該產品在智能手機、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。根據有關報道，杭州高烯科技通過原位聚合及熔融紡絲技術開發(fā)了石墨烯改性復合纖維，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合纖維；華陽新材料集團與榮盛、桐昆等國內石化化纖龍頭企業(yè)也在功能性纖維新材料方面攜手開展了一系列合作。

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

      綜上所述，在政府扶持和各界的共同努力下，石墨烯產業(yè)正處于飛速發(fā)展階段。目前國內相關石墨烯企業(yè)正不斷擴大氧化石墨烯的產能，挖掘氧化石墨烯在諸多領域的應用場景。氧化石墨烯也開始逐漸被應用于電子器件、紡織纖維、節(jié)能環(huán)保等與人們日常生活息息相關的領域，展現出了非常廣闊的應用前景及巨大的市場價值。