石墨烯材料的研发与应用展望

人物介绍：唐捷，筑波大学教授、日本物质科学研究机构（NIMS）主席研究员。长期从事碳纳米材料、凝聚态物理、新物质的新物性及新仪器的研究，研究领域覆盖新型纳米材料、储能材料、新型纳米器件等的基础理论、特性、构造表征及纳米器件的制备、应用基础和产业推广，取得了许多国际一流水平的科研成果。

自从2004年凭借其优异的性能从众多材料中脱颖而出引发世人关注以来，有“材料之王”之称的石墨烯在全世界范围内引起了一股新的研究热潮——物理、化学、材料科学家开始对石墨烯进行系统研究，各种极具魅力的奇特性质相继被发现。

目前，主要的石墨烯制备方法有机械劈裂法、外延晶体生长法、化学气相沉积法、氧化石墨的热膨胀和还原方法。还有其他一些制备方法也陆续被开发出来，如气相等离子体生长技术，静电沉积法和高温高压合成法等。

超级电容器凭借其高功率密度、优秀的倍率性能和极佳的循环性能等特质成为了近年来的研究热点之一，甚至被认为有机会成为最主要的储能装置。

石墨烯具有较大的比表面积，良好的导电性和导热特性，是很有潜力的储能材料。作为已知最薄的二维材料，石墨烯因具有大比表面积等特性成为超级电容器电极材料的热门选择。

近日，在东京大学先端科学技术研究中心（RCAST），筑波大学教授、日本物质科学研究机构（NIMS）主席研究员唐捷为新材料在线®日本新材料考察团发表了题为《石墨烯材料的研发与应用展望》的精彩演讲，引发现场讨论热潮。

日本物质科学研究机构（NIMS）主席研究员唐捷发表演讲

以下为演讲实录，有删减修改：

石墨烯是一种由碳原子以sp²杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的二维碳纳米材料，这种稳定二维蜂巢状晶格结构赋予了石墨烯力学、光学、电学和微观量子性质等极为优异的性能，被称为“材料之王”。

2004年，曼彻斯特大学的安德烈·盖姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫用微机械剥离法成功分离出稳定的单层石墨烯，颠覆了凝聚态物理学界既往的二维材料不能在有限温度下存在的观点，被授予2010年诺贝尔物理奖。

石墨烯是人类已知最薄最坚硬的物质，单层石墨烯厚度只有0.335纳米，是头发直径的二十万分之一。作为理想二维晶体材料，石墨烯导电率可达10^6 S/m，是室温下最好的导电材料，性能超过已知最好的导体银或铜。同时，石墨烯是已知的导热系数最高的物质，是室温下导热最好的材料。

单层石墨烯对光的吸收率仅为2.3%，且对任何波长都有效，打破了目前常用半导体化合物如砷化镓等的吸收带仅在可见光和近红外端的限制，可制备透明导电薄膜，替代ITO，用于触摸面板、柔性液晶面板、太阳能电池及LED照明等。

石墨烯具有2630 m^2/g 的超大比表面积，能够作为强力吸附剂与过滤材料，应用于环保、海水淡化等领域，还能充当储能材料负载。

日本物质科学研究机构（NIMS）主席研究员唐捷与考察团合影留念

超级电容器凭借其高功率密度、优秀的倍率性能和极佳的循环性能等特质成为了近年来的研究热点之一，甚至被认为有机会成为最主要的储能装置。

事实上，超级电容器在生活中的应用已经很广泛了，比如太阳能发电、风力发电，都用它作为辅助设备，家电回收上也用到了超级电容器。

超级电容器的工作原理只是表面的吸附，所以它反应非常快，充电时间特别短，所以我们希望保持超级电容器充电时间短，又希望能够提高它的能量密度。现在超级电容器用的材料是活性炭，因为中间有很多微孔，它的能量密度并不大，没有起到作用，性能也不好。

我们做石墨烯超级电容器就是希望能够实现高速充电，大容量和大输出。我们主要通过石墨烯加纳米碳管做成一个三维纳米的构造，希望能够做成一个新型、大容量的材料。将来用在电动车上。

纳米碳管是一个被看好的材料，因为它导电性好，强度又高。日本政府花了几十亿元日元用于纳米碳管超级电容器的研究，最后发现纳米碳管可以提高性能，可以耐高压，但是比容量没有得到提高。因为纳米碳管的性能好，纳米碳管超级电容器的成本是现有的活性炭的一百倍，所以几乎是没有汽车的厂家愿意使用。

在这样的情况下，我们希望找到一个能提到超级电容器容量的材料，选择石墨烯这种材料是因为其具有最大的比表面积，又有很好的导电性，这样我们通过它的比表面积可以提高容量密度，又因为它有很好的导电性，又可以实现大的功率密度，达到了提高容量与缩短充电时间双重目的。

根据储电规模不同，石墨烯超级电容器的目标和市场包括手机、便携式计算机、汽车等领域。要将石墨烯超级电容器用在汽车领域未来还有很长的路走。

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