《二維視界》之《勢點2》：漫話石墨烯”工匠”——劉忠範院士

2017年02月24日 By 付 磊 請評論

劉忠範院士，國内“著名的石墨烯大牛”之一，并于2011年成功當選中國科學院院士。自1993年在北大化院任職以來，劉忠範院士一直緻力于納米科學技術尤其是低維碳材料領域，完成了很多意義重大的工作。當石墨烯的“旋風”席卷中華大地之前，劉忠範院士便早已走在國際前列，在二維碳材料領域取得了許多重大的突破，例如二元合金催化生長、痕碳偏析生長石墨烯等開創性的工作。這裡，我們就漫話石墨烯”工匠”—劉忠範院士的書架與貨架的故事。

§  書架的故事：決定未來的制備

最初的石墨烯是通過剝離得到，如何去控制得到石墨烯的大小、層數和增加其産量就成了研究者努力的方向。CVD生長法應運而生，但是兩種主流金屬催化基底——Ni的溶碳後析出、Cu的表面缺陷成核給石墨烯的生長添加了許多不必要的變數。大面積、均勻、單層便成為了石墨烯研究者的“CVD夢”。劉忠範院士便通過Ni-Mo合金做催化基底的方法，阻止了碳溶Ni後析出的過程，實現了具備高容錯性的大面積均勻單層石墨烯的制備[1]。而後逆向思考，利用碳溶Ni後析出的過程，實現了低成本的Ni箔上偏析生長大面積石墨烯。之後，利用偏析過程進行可控摻雜[2]、可控層數、構築異質結構和梯級供料技術實現大面積單晶石墨烯[3]的工作層出不窮。石墨烯制備的重心也在這段時間突破了單元的生長，逐漸轉移到了新結構、新體系、新行為上面。這表明了工藝的成熟，也标志這未來應用可參照的基礎更加堅實。因而，我們相信劉忠範院士擺在書架上的這些工作将會在未來應用石墨烯時成為優秀的“教科書”。

§  貨架的故事：殺手锏級的應用

制備的基礎雖然已經打好，多專而不精的研究現狀卻使石墨烯這個“萬金油”材料卻依然難以親近現實。受碳纖維發展的啟發，劉忠範院士首次提出了标号石墨烯的概念，即具有特定性質而面向某一類特定應用的石墨烯。于是，卷對卷綠色轉移實現批量制備石墨烯的技術應運而生[4]。這些高質量、受缺陷敏感度高的石墨烯薄膜也被劉忠範院士成為“女石墨烯”。

那麼“男石墨烯”呢？劉忠範院士把這個标簽分配給了易批量制備但缺陷程度高的粉體石墨烯。矽藻土，NaCl晶體，石墨粉、魚骨、貝殼這些貼近生活的物質便成為了劉忠範院士生長“男石墨烯”的模闆[5]。這些依據模闆的粉體石墨烯往往具有多孔的三維結構，比表面積大結合石墨烯優秀的導電導熱性質，因而在吸附、催化等領域具有相當重要地位。

但是，即便再“親民”的石墨烯生長轉移技術也依然處于實驗研究的範疇。于是劉忠範院士打造的殺手锏級應用——石墨烯玻璃應用而生。僅僅隻是将石墨烯和傳統的玻璃相結合，便得到得到了各項性質均發生突破的新型導電導熱玻璃[6]。集除霧、變色、加熱、選擇性透光等一系列功能于一身石墨烯玻璃必然會在不遠的将來走進大衆百姓的衣食住行。

如果說貨币到商品是經濟方面的最危險一躍的話，那麼從書架到貨架便是科學領域最危險的一躍，如果跳躍失敗，摔壞的将不僅僅是研究者，更是投入大量人力物力的國家和社會。

1.     B. Dai, L. Fu, Z. Zou, M. Wang, H. Xu, S. Wang, Z. Liu. Nat. Commun. 2011, 2, 522.

2.     K. Yan, D. Wu, H. Peng, L. Jin, Q. Fu, X. Bao, Z. Liu. Nat. Commun. 2012, 3, 1280.

3.     L. Lin, L. Sun, J. Zhang, J. Sun, A. L. Koh, H. Peng, Z. Liu. Adv. Mater. 2016, 28, 4671.

4.     B. N. Chandrashekar, B. Deng, A. S. Smitha, Y. Chen, C. Tan, H. Zhang, H. Peng, Z. Liu. Adv. Mater.2015, 27, 5210.

5.     K. Chen, C. Li, L. Shi, T. Gao, X. Song, A. Bachmatiuk, Z. Zou, B. Deng, Q. Ji, D. Ma, H. Peng, Z. Du, M. H. Rummeli, Y. Zhang, Z. Liu. Nat. Commun. 2016, 7, 13440.

6.     J. Sun, Y. Chen, M. K. Priydarshi, Z. Chen, A. Bachmatiuk, Z. Zou, Z. Chen, X. Song, Y. Gao, M. H. Rummeli, Y. Zhang, Z. Liu. Nano Lett. 2015, 15, 5846.

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Filed Under: 特邀專欄, 納米, 能源 Tagged With: 二維視界, 劉忠範, 制備, beat365, 應用, 武漢大學, 石墨烯

About 付 磊

武漢大學化學與分子科學學院教授；主要研究二維材料的表面控制生長及其在柔性、能源領域的應用。更多信息請訪問：http://leifu.whu.edu.cn

原文鍊接：http://www.materialsviewschina.com/2017/02/the-two-dimensional-view-of-the-potential-of-point-2-some-thoughts-concerning-the-graphene-artisans-academician-liu-zhong-fan/