一、项目简介石墨烯可以视为单层石墨结构，其独特的二维结构及其优良导电性使其在微电子、半导体、电池以及防腐涂层中得到应用。目前石墨烯生产方法主要有机械剥离法，化学气相沉积法，电辅助氧化法和氧化还原法。表 1 里列举了这几种方法的优缺点。表 1 石墨烯各生产方式优缺点对比生产方式优点缺点石墨烯品质较高，操作简单，成本低廉获得的石墨烯尺寸不稳定，无机械剥离法法实现量产。操作相对简单，石墨烯可以大面积生长，得到的石墨烯较为完整，质量较好高温工艺，成本高；化学气相沉积法电辅助氧化法只能达到平方厘米的量级，难以满足石墨烯的工业化应用难以控制石墨烯生长层数；石墨烯较难从 SiC 基板上转移；使用强氧化剂，有害气体产生。石墨烯在生产过程易发生不可逆转的团聚；生产设备简单简单易行的工艺成、高效且成本较低氧化还原的过程中，电子结构及晶体的完整性易被破坏，难以生产高品质产品；氧化还原法生产废液造成环境污染。本团队开发的石墨烯采用气氛-电弧法，可以实现石墨烯的快速制备。相比于传统石墨烯制备方法，它具有如下优势：1）生产效率极高。氧化法制备石墨烯耗时约 3-7 天电弧法可在几分钟到十-- 130 --西安交通大

本项目提出以中国富产的煤炭为前驱体，采用催化石墨化耦合高温提纯技术，利用催化剂的溶解再析出机理和碳化物转化机理，调变煤基本有机结构单元的尺寸，并辅以化学氧化及低温等离子等技术手段，将煤炭基本单元的无序结构转化为结构和性能可以在一定程度上调控的煤基石墨烯。项目的实施将全面诠释煤粉粒度、有机显微组分、无机显微组分、挥发份、固定碳等参数对煤基石墨烯之形成和组装的基本影响规律，研究建立构筑煤基石墨烯的新方法及其调控策略，可以开发煤炭加工利用的新方向，扩大和丰富粉煤利用技术的内涵。 本项目的创新点在于用结构杂乱无章的煤炭构筑结构规整有序、具有丰富而新奇物理特性和许多优异化学性质的石墨烯。

本成果以“高效、低耗、高质、低成本”为开发理念，形成了氧化石墨烯、还原氧化石墨烯、石墨烯的系列制备技术，具有实施工业规模化生产的潜质。所制备的氧化石墨烯、还原氧化石墨烯、石墨烯具有层数低、比表面积大、纯度高等特点。应用领域包括生物检测、新能源、环境修复、防护涂装、电磁屏蔽、导电及导热材料等。目前，已在防腐涂料、电化学储能、导电导热材料等方面应用与企业开展对接试研工作。本成果包含的制备技术的特点如下： 1、氧化石墨烯制备技术特点： ① 生产过程简单、高效（无需繁杂的低温、高温过程）； ② 节能减耗，能耗低，浓酸消耗少，“三废”产生少； ③ 生产周期短，氧化过程最快仅需30min； ④ 浓硫酸的回收再利用。 2、还原氧化石墨烯制备技术特点： ① 生产过程简单、高效； ② 无需任何还原剂； ③ 无需复杂、高要求的设备； ④ 还原过程最快仅需3s。 3、石墨烯制备技术特点： ① 生产过程简单、高效； ② 无需任何还原剂； ③ 使用设备简单易获得； ④ 制备过程最快仅需5s。

石墨烯作为化工新材料是目前的研究热点，其规模化制备是难点。超重力旋转床作为一种新型反应器，在化工过程强化等领域具有总要的应用，且无明显放大效应。以超重力旋转床作为石墨（氧化石墨）剥离和还原的反应器制备石墨烯，具有效率高、产品质量及应用性能好等特点。目前已达到中试水平。 本技术属于石墨烯制备技术领域，具体涉及到用超重力法以石墨为原料制 备高性能石墨烯的方法。石墨烯是目前发现的唯一存在的二维自由态原子晶体，是构成石墨、碳纳 米管、富勒烯等碳材料的基本结构单元，具有优良的导电性、导热性、高强度、 高透明度和超大的比表面积及良好的生物相容性，在复合材料、电子器件、电 能储存装置、生物传感器、催化剂载体等领域具有良好的应用效果及前景，是 目前最热研究领域之一，也有大量的潜在需求。实现其高性能低成本规模化制 备是其应用的前提和保障，因此更是人们关注和研究的焦点。 现有的石墨烯制备方法很多，如：机械剥离、化学气相沉积、液相剥离法、 化学氧化-剥离-还原、碳纳米管切割以及完全有机合成等。在这些方法中，机 械剥离法虽然能得到高性能的石墨烯，但产量很小，主要用于科学研究；化学 气相沉积法虽然可合成量较大的产品，但设备复杂且成本较高，限制了其应用； 完全有机合成法得不到大面积的石墨烯片。低成本剥离法和化学氧化-剥离-还 原法通常以廉价的石墨为原料，在低温常压下进行制备，其成本较低且易放大规模，是石墨烯规模合成的重点研究方向。 目前用于剥离的装置主要有超声波清洗器、微波炉、球磨机、超临界装置 等。在这些装置中，超声波清洗器虽然使用的最多，但其剥离时间长、产率低、 对石墨烯片的晶体完整性和结构破坏大，影响其导电性和其他应用性能；微波炉剥离利用微 波炉加热集中、功率大的特点，加热使石墨或预氧化石墨迅速膨胀，达到剥离 的效果，该方法过程较为剧烈，产物损失不可控，而且所得到的石墨烯缺陷较多；球磨机制备出来的石墨烯片小；超临界装置制备成本高、需要反复多次剥离才能达到较好的效果， 不适于规模化连续生产)。所以如何找到一种可以大规模剥离且对石墨烯性能影响小的剥离方 法和装置是本领域需要解决的一个问题。 超重力技术是利用比地球重力加速度大得多的超重力环境对传质、传热过 程和微观混合过程进行强化的新技术，在地球上通过旋转产生模拟的超重力环 境而获得。它能够大幅度提高反应的转化率和选择性，显著地缩小反应器的体 积，简化工艺、流程，实现过程的高效节能，减少污染排放。在超重力旋转床 内气体呈连续相均匀分布，液体被分散成大量的液滴、液丝和液膜，具有极大 的比表面积。研究表明：在超重力环境下相间传质速率比传统塔器提高1～3 个数量级，微观混合和传质过程得到极大强化。超重力过程强化技术已被大量 用作需要对相间传递过程进行强化的多相过程，和需要对相内或拟均相内微观 混合强化的混合与反应过程，并达到了工业化水平或中试水平。目前还没有出 现过将超重力技术应用在石墨领域的例子。 本项目要解决的技术问题是提供一种超重力法制备石墨烯的方法；通过对 石墨进行预处理，使石墨的层间距增大，之后在超重力旋转床中剥离预处理石 墨，得到石墨烯；该制备方法简单易行，低成本、高产量，适合大规模生产， 具有广泛的应用前景，该方法制备的石墨烯具有很高的导电率和极少的缺陷。 本发明提供一种超重力法制备石墨烯的方法，包括以下步骤： 1）以石墨为原料，对石墨进行预处理，使石墨的层间距增大，得到预处 理石墨； 2）在超重力旋转床中剥离预处理石墨，得到石墨烯。

石墨烯因 其 优异 的性质而 被 誉为 “ 材料之王 ” ， 在诸多 领域有着广阔的应用前景， 但 距离 真正实现产业化 还存在诸多 问题和挑战 。制备决定 未来， 高品质 石墨烯薄膜的 可控 制备 一直是学术界和业界关注的 重点 。 化学 气相沉积法（ CVD ） 以 其优良 的 可控性和可放大性被 公认 为最具前景的石墨烯 薄膜 制备方法， 经过 近十年的发展， 虽然 在单晶尺寸上 取得 了诸多突破性进展， 但 CVD 石墨烯的性能 和 理想 水平 仍然有不 小 的差距 ， 这一问题已经困扰石墨烯领域很久 。 该研究首次 揭示了 CVD石墨烯 的本征污染问题，提出气相反应调控的方法，分别使用泡沫铜辅助催化和含铜碳源实现了超洁净石墨烯的制备（ Nat ure   Commun .  2019 ,  10 , 1912 ； J. Am. Chem. Soc.   2019 ,  141 , 7670 ）。 对于已存在 本征污染的石墨烯薄膜，他们 巧妙地 使用 二氧化碳 对其进行刻蚀 ，而不引入额外缺陷，从而成功 制备出大面积的超洁净石墨烯薄膜，该 方法与普通CVD工艺完全兼容 （ Angew . Chem.  2019 ,10.1002/ange.201905672 ）。 同时 ，他们探究 了本征污染物与石墨烯之间的相互作用，发展了基于活性炭的界面力调控方法，成功实现了石墨烯的表面清洁（ Adv.  Mater.  2019 , e1902978 ） 。

过去的十几年石墨烯研究和产业化进步飞速，然而石墨烯产业化仍然面临诸多挑战和问题。面向石墨烯产业化应用的制备技术不是对实验室制备过程的简单放大，规模化制备对制备技术的可重复性、安全性和成本等都提出了更高的要求。尽管从产能上看石墨烯的粉体和薄膜均实现了宏量化制备。然而，石墨烯产品的生长工艺、原材料、设备甚至生产批次的不同，得到的产品质量和性能参差不齐，且很难达到统一的标准。以史为鉴，参考另一类战略性碳材料——碳纤维的产业发展历程可知，材料的品质决定了其应用前途。最初研发的碳纤维只能用于钓鱼竿等，而今高端碳纤维材料在航天航空领域占据不可替代的位置，这正是碳纤维的规模化制备技术和材料品质的不断提升，推动了碳纤维在高端领域的广泛应用。石墨烯产业只有努力扎根于材料制备，解决高品质材料的规模化制备问题，才有美好的应用未来。

成果介绍目前，石墨烯基墨水的制备主要有两种方案。一种是以氧化石墨烯为前驱体制备墨水，喷墨打印后对绝缘的氧化石墨烯图案进行还原得到还原的氧化石墨烯进而恢复其电性能。另一种方案是以石墨烯为导电墨水的溶质，加入分散剂、粘结剂、导电助剂等配置墨水实施打印。由于第一种方案中采用的柔性基底承受温度一般在400℃以下，导致其导电性无法进行大幅度提高，而较高的温度是修复缺陷的有效方法，所以本产品是通过调配低缺陷的RGO、粘结剂、导电助剂、溶剂等成分来制备石墨烯基导电墨水。本产品将石墨烯优异的物理性质与印刷电子高效、绿色、大面积以及低成本等优势相结合，制备了一种导电性、成膜性优异的石墨烯基墨水。技术创新点及参数本产品采用高分子材料（如PET、PDMS、SEBS等）作为柔性基底，选用上述体系的导电墨水通过印刷或喷墨打印的方式制备高导电、尺寸可调、形状可调的石墨烯基导电材料。简单绿色的制备工艺、优异的导电性使其适用于多个领域，如对高分子基底表面进行等离子亲水性处理制备均匀且灵敏的传感器，以叠层的形式贴合在皮肤表面，以织物中RFID为接收器，用以监测人体的呼吸、运动以及心率，保证人们的生命安全；还可以凭借其较低的表面方阻、大尺寸可共形的特点用于大型通讯设备或可穿戴通讯设备的电磁防护。市场前景导电墨水主要分为金属系导电墨水和碳系导电墨水等，目前市场上使用最多的是银纳米材料的导电墨水，但其原料价格过于昂贵; 而铜系导电墨水虽然原料价格相对较便宜，但容易被氧化的性质也在一定程度上限制了其应用。目前市售的碳系墨水电阻率普遍偏高。利用石墨烯制备高性能的网版印刷墨水有望获得与银导电墨水相当的导电性、更好的易用性和稳定性，同时降低墨水成本，从而促进柔性印刷电子技术的发展。而利用高质量的RGO作为导电填料的来源，成本低，易于大规模、大面积制备，其具备了产业化的要素。实施条件未来，利用石墨烯制备高性能的网版印刷油墨有望获得与银导电油墨相当的导电性、更好的易用性和稳定性，同时降低油墨成本，从而促进柔性印刷电子技术的发展。而利用高质量的RGO作为导电填料的来源，成本低，易于大规模、大面积制备，其具备了产业化的要素。

采用改进的Hummers法，插层—膨胀—氧化，避免长时间超声处理对氧化石墨烯片的破坏。

2020年2月7日，在东南大学孙立涛教授的建议下，其研发的“石墨烯基KN95口罩”联合合作单位近日将40万只以最快的速度直接发往武汉。这款石墨烯基KN95口罩由孙立涛教授研发。2016年，经第三方测试，这种口罩对PM2.5的去除率高达97.1%。 这款口罩将石墨烯复合物溶液喷涂于过滤网上，能够有效去除（干、湿）空气中的粉尘及PM2.5。目前市场上多数口罩是通过静电吸附微小颗粒物，但呼吸的水汽会让静电消失，配戴一个小时吸附效果就会显著下降而致吸附失效。石墨烯基口罩借助石墨烯超大的比表面积优势可实现对微小颗粒物的直接吸附，不存在遇水汽失效问题，可以长时间保持高效吸附率，其防护效果级别达到了2016年新标准规定的最高级别：A级。

这款口罩将石墨烯复合物溶液喷涂于过滤网上，能够有效去除（干、湿）空气中的粉尘及PM2.5。目前市场上多数口罩是通过静电吸附微小颗粒物，但呼吸的水汽会让静电消失，佩戴一个小时吸附效果就会显著下降而致吸附失效。石墨烯基口罩借助石墨烯超大的比表面积优势可实现对微小颗粒物的直接吸附，不存在遇水汽失效问题，可以长时间保持高效吸附率，其防护效果级别达到了2016年新标准规定的最高级别：A级。2016年，经第三方测试，这种口罩对PM2.5的去除率高达97.1[%]。因为此次肺炎疫情中的病毒目前主要通过飞沫或在空气中形成气凝胶传播，与通常的雾霾颗粒类似，所以石墨烯基口罩的防病毒功能很好。