氧化石墨烯的制备及应用现状

《氧化石墨烯的制备及应用现状》

       氧化石墨烯是石墨粉末经化学氧化及剥离后的产物，其颜色为棕黄色；市面上常见的产品有粉末状，块状以及溶液状。氧化石墨烯是单一的原子层，在横向尺寸上可扩展到数十微米。氧化石墨烯具有sp2和sp3杂化结构，表面带有大量的羟基、羧基和环氧基等含氧官能团，这些官能团赋予氧化石墨烯一些新的性能，如分散性良好、亲水性、增加了与聚合物的相互作用性等。

       随着在消费电子、新能源、半导体、航空航天等场景下的新兴应用不断涌现，被称为“黑金”的新材料之王石墨烯受到社会各界的日益重视。氧化石墨烯（graphene oxide，简称GO）作为一种重要的石墨烯衍生物，具有优越的力学、热学、吸附和化学稳定性等特性，同样受到了产业界的大力推广和应用。

氧化石墨烯的制备及市场规模

       石墨烯制备方法主要分为“自上而下”法和“自下而上”法两大类，前者主要以石墨为原料，利用物理、化学手段削弱石墨层与层间的范德华力剥离得到单层或少层石墨烯，而后者多以含碳气体为原料在高温、超真空等条件下制备石墨烯片层。目前国内较常使用的石墨烯量产方法主要有机械物理法、化学氧化法和化学气相沉积法。

 表1　对比三种石墨烯制备方法

       由上表可见，从生产成本、产品质量等多方面考虑，化学氧化法是当前适合大规模生产石墨烯材料的最佳方法，但该方法会使用大量的化工原料并且产生大量废酸，解决大规模生产工艺和处理废液成为很多石墨烯生产企业遇到的棘手问题。墨睿科技氧化石墨烯产业化项目在工艺技术和生产选址上做了充分规划，将工厂建在配套完整的化工园区内，同时实现原材料就地取材和尾液循环使用，转化为有用化工产品，实现绿色环保和可持续的规模化氧化石墨烯生产。

       氧化石墨烯一般由石墨经强酸和强氧化剂氧化而得，目前主要的制备氧化石墨烯的方法有三种：Brodie法，Staudenmaier法和Hummers法。改进Hummers法的制备过程时效性相对较好而且较为安全，是目前量产氧化石墨烯的最常用方法，其制备步骤主要包括：（1）预氧化阶段；（2）改进的Hummers方法过氧化；（3）后处理阶段；（4）制备氧化石墨烯分散液。下图是制备氧化石墨烯的简单流程图[2]。而规模化生产对生产工艺要求更高，在整个生产过程中，反应过程复杂，需要不断的修正和控制温度，同时要严格控制氧化剂下料速度、反应时间等，进而才能提高氧化石墨烯的品质，特别是控温工艺技术，它是保证产品稳定性的关键因素。

       据前瞻产业研究院预估，到2025年全球石墨烯原料市场规模将超过20亿美元。从石墨烯原料的产品结构来看，石墨烯主要包括氧化石墨烯、石墨烯纳米片(GNP)和其它产品，而其它石墨烯产品包括碳化硅石墨烯、还原氧化石墨烯(RGO)等，每一种类型都有不同的特点和用途。和其它石墨烯类型相比，性质更加活泼的氧化石墨烯在全球石墨烯市场中成长最快，占据着60%以上的市场份额。

       面对氧化石墨烯在应用领域的快速扩张和市场需求的不断增长，已有不少石墨烯生产企业在紧锣密鼓地进行产能扩建。多凌新材料子公司黑龙江多凌新材料科技有限公司计划2021年底完成1000T氧化石墨烯产能产线的搭建与调试。随着氧化石墨烯产能不断提升，应用关键技术不断突破，其下游应用市场将不断打开，那么氧化石墨烯的下游应用情况又如何呢？

氧化石墨烯下游应用

       氧化石墨烯表面丰富的官能团，与石墨烯相似的二维蜂窝状晶格结构，赋予了其许多优异的理化和生物特性，如良好的亲水性、高比表面积、优异的机械性能和光学性质。利用这些独特的性能，氧化石墨烯可被应用到众多领域。

       在复合材料方面，氧化石墨烯可增强材料本身的热学和电学性能。据相关石墨烯企业的官网信息显示，厦门凯纳利用改性石墨烯做导热填料，开发出石墨烯碳塑合金等产品；东旭光电、山东晶泰星已经实现了石墨烯散热LED灯的产业化应用。而墨睿科技也开发出多款石墨烯改性复合材料，例如石墨烯改性导热PC材料，将热导率由0.2 W/m·K提升至1.0W/m·K以上；石墨烯改性抗静电PC材料的电阻可有效控制在100-105Ω/cm。它们可应用于LED照明、散热器、电池箱壳、电子封装基板等领域。

       除了作为导热填料，氧化石墨烯还可制备成纯的石墨烯导热膜，应用于散热要求较高的设备上。根据工信部发布的《石墨烯热控材料在华为5G产品中得到创新应用》报告称，2018年石墨烯导热膜在华为 Mate 20X 得到首次应用之后，华为2020年发布的国内首款5G平板华为MatePad Pro 5G也采用了石墨烯散热技术，石墨烯导热膜总厚度可达到400μm；而小米10系列手机采用了VC液冷板+石墨烯+6层石墨的三明治散热系统，红米K30 pro手机中同样也采用了石墨烯导热膜。墨睿科技在此应用领域早已进行布局，导热系数高于1300W/m·K的石墨烯导热膜已经实现大批量生产，而实验室正在开发下一代导热膜的导热系数也达到1700W/m·K。该产品在智能手机、平板电脑等智能终端的热管理解决方案中得到了很好的应用。

       在纺织方面，氧化石墨烯的引入有利于改善聚合物纤维的强度、耐热性、耐候性、抗静电等诸多性能。根据有关报道，杭州高烯科技通过原位聚合及熔融纺丝技术开发了石墨烯改性复合纤维，研制出石墨烯锦纶、涤纶、氨纶、腈纶、黏胶、莫代尔等多系列功能复合纤维；华阳新材料集团与荣盛、桐昆等国内石化化纤龙头企业也在功能性纤维新材料方面携手开展了一系列合作。

       除了上述应用外，氧化石墨烯在光电传感领域（光探测器件、新型光源材料等），生物医学领域（药物载体、生物成像以及组织再造等）、水处理领域（海水淡化、污染物治理等）等不同领域都展现出了巨大的研究和应用潜力。

       综上所述，在政府扶持和各界的共同努力下，石墨烯产业正处于飞速发展阶段。目前国内相关石墨烯企业正不断扩大氧化石墨烯的产能，挖掘氧化石墨烯在诸多领域的应用场景。氧化石墨烯也开始逐渐被应用于电子器件、纺织纤维、节能环保等与人们日常生活息息相关的领域，展现出了非常广阔的应用前景及巨大的市场价值。