石墨检测

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平面二维材料，是目前发现的最薄却最坚硬的纳米材料，具有优异的光学、热学、电学、力学特性，在新能源、大健康、电子信息、节能环保、生物医药等领域应用前景广阔，被称为“新材料之王”。2004年，英国曼切斯特大学物理学家安德烈• 海姆和康斯坦丁• 诺沃肖诺夫成功从石墨中分离出石墨烯，引发学术界轰动，两人也因此获得2010年诺贝尔物理学奖。自此，全球掀起了持续至今的石墨烯研究热潮。作为新兴材料，石墨烯一直备受关注，但也屡屡成为被炒作的话题；各类石墨烯“黑科技”层出不穷，真假难辨。前段时间，某品牌电动汽车宣称其石墨烯基电池，充电8分钟，续航2000里。次日，中科院院士欧阳明高就在电动车论坛上公开表示：“如果有人告诉你，这车能跑1000公里，几分钟充满电，还安全，成本又低。以目前的技术来讲，他一定是骗子”。该品牌随即发表声明，声称充电快的是石墨烯基超级快充电池，长续航的是硅负极电池。除此之外，市面上还有石墨烯面膜、石墨烯袜子等日消品，可谓“万物皆可石墨烯”。而现实情况是，石墨烯低成本规模化制备技术存在技术瓶颈，其制备成本高，价格远超黄金。广告上石墨烯的噱头，更多只是为了迎合消费者的猎奇心理，收割一波“智商税”。如何规范这一不良现象？业界普遍认为，石墨烯行业亟需统一的国家标准，通过检测认证正本清源。为促进石墨烯产业健康发展，本文特汇总石墨烯的常用检测方法与已发布的国家标准，供相关检测人员参考。石墨烯常用检测方法石墨烯的检测仪器主要分为图像类和图谱类，图像类以光学显微镜、扫描电镜（SEM）、透射电镜（TEM）、原子力显微镜（AFM）为主，而图谱类则以拉曼光谱（Raman）、红外光谱（IR）、X射线衍射仪（XRD）、X射线光电子能谱（XPS）、紫外光谱（UV）为代表。其中，光学显微镜、SEM、TEM、Raman、AFM 一般用来表征石墨烯的层数；SEM、TEM、AFM能够对石墨烯的表面形貌进行观察分析；而Raman、IR、XRD、XPS和UV则可对石墨烯的结构进行表征。此外，热重分析仪、激光导热仪、激光粒度仪、比表面及孔径分析仪等仪器也用来测试石墨烯的热稳定性、粒度、比表面积等物理性质。每种检测方法都有各自的优势和局限性。在实际研究中，为提升检测精准度，几种表征手段往往联合使用，测试结果可互相对比、印证，进而为石墨烯的大规模生产和应用提供科学的保障。同时，随着石墨烯研究的不断推进，其检测方法将越来越丰富。已发布的石墨烯相关国家标准序号标准编号标准名称发布日期实施日期1GB/T 30544.13-2018纳米科技 术语 第13部分：石墨烯及相关二维材料2018-12-282019-11-012GB/Z 38062-2019纳米技术 石墨烯材料比表面积的测试 亚甲基蓝吸附法2019-10-182020-09-013GB/T 38114-2019纳米技术 石墨烯材料表面含氧官能团的定量分析 化学滴定法2019-10-182020-09-014GB/T 40071-2021纳米技术 石墨烯相关二维材料的层数测量 光学对比度法2021-05-212021-12-015GB/T 40069-2021纳米技术 石墨烯相关二维材料的层数测量 拉曼光谱法2021-05-212021-12-01GB/T 30544.13-2018是我国首个石墨烯国家标准，该标准界定了石墨烯及相关二维材料的术语和定义，包括制备方法、特性及其表征。此标准的制定和实施，为产业界和学术界交流提供了统一的技术语言，是开展石墨烯各种技术标准研究及制定工作的重要基础及前提。石墨烯材料比表面积大，拥有强大的吸附性能，在储能、催化、传感及水处理等能源、化工和环保领域有着广泛的应用。不同方法制备的石墨烯材料比表面积存在较大差异，因此，准确测定石墨烯材料的比表面积对其应用至关重要。GB/Z 38062-2019规定了亚甲基蓝吸附法测定石墨烯材料比表面积，即利用石墨烯材料在液相中吸附亚甲基蓝，通过吸附前后亚甲基蓝溶液的吸光度变化来计算出石墨烯材料的比表面积。石墨烯粉体材料在制备或应用改性过程中，可能引入一些含氧官能团，如羧基、内脂基、酚羟基和羰基等。这些含氧官能团对石墨烯粉体材料的电子特性、润湿性、导电性、导热性及化学反应活性等性能有着重要影响。因此，测量含氧官能团的种类和含量，对石墨烯粉体材料质量控制和应用具有十分重要的指导意义。GB/T 38114-2019规定了一种低成本、重复性好、操作简便的Boehm滴定法，Boehm滴定法根据碱性试剂的消耗量，可计算出石墨烯粉体材料表面的羧基、内酯基、酚羟基和羰基的含量。石墨烯的层数是影响其性能的关键参数，准确测量石墨烯的层数对于材料的研究、开发和应用意义重大。光学对比度法与拉曼光谱法因其快速、无损和高灵敏度等优势，被广泛应用于测量石墨烯的层数。GB/T 40071-2021规定了光学对比度法（包括反射光谱法和光学图片法）测量石墨烯相关二维材料的层数的步骤、仪器参数要求、数据分析、层数判定准则。GB/T 40069-2021规定了拉曼光谱法测量石墨烯相关二维材料层数时的样品制备、仪器参数要求、表征步骤、图谱分析及结果表示等内容，并列出基于本标准规定的方法测量某几个石墨烯薄片样品的实例。每一个新兴产业的发展，都不可能一蹴而就。当前我国石墨烯产业的发展正处于关键节点，只有建立和遵循完善的标准化体系，才能保证产品的质量，促进石墨烯产业安全、有序和健康地发展。

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2021年全国两会，政府工作报告将“扎实做好碳达峰、碳中和各项工作”列为重点工作之一。报告指出，制定2030年前碳排放达峰行动方案，优化产业结构和能源结构，大力发展新能源。石墨烯作为新型碳材料中的“王者”，在实现碳中和的主要技术方向中均有应用潜力，在上海、浙江、山西等省“十四五”规划中均被重点提及、加快发展。业内认为，除石墨烯电池等趋于成熟的商业应用外，石墨烯在建筑节能、碳捕集、二氧化碳资源化利用等方面应用前景广阔。随着碳中和战略的实施，石墨烯产业有望迎来发展机遇。助力碳中和，石墨烯究竟该怎么用？本文特列举石墨烯在碳捕集、二氧化碳资源化利用等方面的研究成果，以飨读者，并附“石墨烯检测技术及应用进展”主题网络研讨会参会福利。 变废为宝， CO2也可以制备石墨烯！ 2019年7月，据德国卡尔斯鲁厄理工学院（KIT）官网报道，该校研究人员开发了一种利用二氧化碳直接合成石墨烯的方法，目标是电池和电子产品的潜在应用。他们采用一种全新的工艺，在高达1000℃的温度下，将温室气体二氧化碳与氢气一起，借助经过特殊处理的活性催化金属表面，最终直接转化形成石墨烯。从事本项研究的负责人马里奥• 鲁本教授表示：“如果金属活性催化表面中形成了适当的铜和钯平衡，则二氧化碳转化为石墨烯的过程将直接在简单的单步过程中进行。” 在更进一步的实验中，研究人员生产了具有多层厚度的石墨烯，可在电池、电子元器件或过滤膜材料中取得应用。（DOI: 10.1002/cssc.201901404 ）二氧化碳（红-黑）和氢气（灰）在铜-钯表面上经过催化反应转变成石墨烯（黑）（图片来源：E. Moreno-Pineda, KIT）石墨烯高效过滤器将碳捕获成本降低2-4倍洛桑联邦理工学院化学科学与工程学院的 Kumar Varoon Agrawal 教授团队采用石墨烯材料研制出新型的二氧化碳过滤器。该团队在石墨烯上制备了二氧化碳分子大小的小孔，这些小孔使得二氧化碳能够通过，同时阻挡了氮气等其他比二氧化碳分子大的气体，可以将二氧化碳从工业废气的混合气体中分离出来。这种石墨烯过滤器不但非常薄，而且在效率和速度方面也远超市面上的大多数过滤器。Agrawal 教授预计这项技术将使碳捕获成本降低近 30 美元/吨二氧化碳，而其他商业技术的成本要比这高出 2 到 4 倍。（DOI: 10.1126/sciadv.abf0116）石墨烯二氧化碳过滤器示意（来源：EPFL）瑞典研究者利用石墨烯+太阳能 将二氧化碳转化为燃料 2020年7月，据外媒报道，瑞典林雪平大学的研究人员正尝试利用太阳能，将温室气体二氧化碳转化为燃料。之后的研究结果也表明，利用其技术是有可能用二氧化碳和水选择性地生产出甲烷、一氧化碳或甲酸。研究人员将石墨烯和立方碳化硅结合，研发了一种石墨烯基光电极，可以保持立方碳化硅捕获阳光能量并制造出电荷载体的能力。石墨烯在保护碳化硅的同时，还起到了作为导电透明层的作用。石墨烯基光电极可以与铜、锌或铋等各种金属制成的阴极结合，通过选择合适的金属阴极，二氧化碳和水可以选择性地形成不同的化合物，如甲烷、一氧化碳和甲酸。甲烷可用作燃料，用于适用气体燃料的车辆，而一氧化碳和甲酸可以被进一步加工成为燃料，用于工业。（DOI：10.1021 / acsnano.0c00986，）石墨烯检测技术及应用进展为促进石墨烯研发和产业化快速发展，仪器信息网联合国家石墨烯产品质量监督检验中心、全国纳米技术标准化技术委员会低维纳米结构与性能工作组，将于2021年5月11日举办 “石墨烯检测技术及应用进展”主题网络会议。邀请业内专家以及厂商技术人员就石墨烯最新应用研究进展、检测技术、检测方法、质量评价体系及标准化等展开探讨，推动我国石墨烯产业健康发展。会议日程时间报告主题报告人09:30-10:00石墨烯的原子尺度表征与环保应用进展孙立涛（东南大学）10:00-10:30石墨膜导热测试技巧方法李金艳（德国耐驰仪器制造有限公司）10:30-11:00绝缘衬底表面石墨烯晶圆生长研究进展王浩敏（中国科学院上海微系统与信息技术研究所）11:00-11:30石墨烯材料检测方法介绍刘峥（国家石墨烯产品质量监督检验中心）11:30-14:00午休14:00-14:30石墨烯基材料的拉曼光谱研究谭平恒（中国科学院半导体研究所）14:30-15:00石墨烯导热增强复合材料与热界面材料林正得（中国科学院宁波材料技术与工程研究所）15:00-15:30二维半导体及异质结的生长与光电性能调控肖少庆（江南大学）15:30-16:00石墨烯结构表征及其在环保领域的应用胡学兵（景德镇陶瓷大学）16:00-16:30石墨烯等低维纳米材料的标准化动态和展望丁荣（全国纳标委低维纳米结构与性能工作组）报名方式扫描下方二维码或点击以下链接即可进入报名页面。（会议链接：https://www.instrument.com.cn/webinar/meetings/Graphene2021/）报名参会加入会议交流群，随时掌握会议动态