低成本石墨烯制备及其可控功能化
一、成果简介
（一）成果概述
（1）石墨烯的连续化制备：针对目前氧化石墨烯涂膜的方式和固态还原的工艺，发展了一种新型金属离子/乙醇还原体系，实现5分钟以内高效还原的功能。采用该技术优化工艺后，已成功制备出宽度250 mm、透光性82.9-91.9 %、导电性800-3840 Ω/□的石墨烯基透明导电膜，并将其成功应用于柔性电阻屏、电致变色器件以及透明电路中。此外，该方法可以结合传统丝网印刷工艺，能够制备出多种适用于逻辑电路和电子器件的石墨烯基微结构。该技术的突破，对于推动石墨烯基透明导电膜的工业化进程具有重要意义（Adv. Mater., 2017, 29, 1605028；CN201510459265.2）;（2）石墨烯的可控功能化：率先提出并发展了一种可规模化、无损转移石墨烯的策略，即石墨烯的可逆化学功能化。这不仅提高了石墨烯在一系列溶剂中的分散性、改善了其加工性能，还使石墨烯的结构、界面及特性在宏观材料及体系中得以保持（Adv. Mater. Interfaces, 2016, 3, 1500842），相关技术已经完成实验室级别的中试工艺研究；（3）石墨烯的连续化制备工艺：从石墨原材料的结构形态、混相插层液的物化特征、剥离过程的条件控制、粉体产品的环境效应及插层液的循环利用等角度出发，详细分析了石墨混相插层剥离技术的吨级制备的关键控制点及核心工艺环节，基于工艺过程模块化、集成化和自动化的设计理念，论证并确立了石墨混相插层剥离技术的吨级放大方案及详细工艺流程，包括石墨与插层液的复合方式及其对插层质量和插层效率的影响、插层工艺的自动化及节能设计、剥离过程中的物料导入方式和物料连续化处理方式以及其对剥离效率的影响、产品的收集及自动化控制、及插层液的分离和再利用等。通过考察可用于本课题工艺的吨级设备种类、设备型号及进料和分离模块，结合高质量石墨烯的制备方案及工艺路线，考虑节能、环保和自动化需求，定制了适合本课题工艺需求的插层釜和剥离釜，与合作企业一道搭建了基于定制插层釜、定制剥离釜及自动化工艺控制系统的一条吨级、绿色、高效制备高质量石墨烯的中试线。
（二）技术特点及技术指标
1.制备了宽度250 mm、透光性82.9-91.9 %、导电性800-3840 Ω/□的石墨烯基透明导电膜，应用于柔性电阻屏、电致变色器件以及透明电路。
2.通过结合传统丝网印刷工艺，制备出多种适用于逻辑电路和电子器件的石墨烯基微结构。
3.基于氯酸盐体系的羟基、环氧基功能化石墨烯的可控制备及其通过氢碘酸的高效还原，提高了石墨烯在一系列溶剂中的分散性、改善了其加工性能，还使石墨烯的结构、界面及特性在宏观材料及体系中得以保持。
4.开发了羟基/环氧基功能化石墨烯的透明导电薄膜，表现出优异的导电性能，此外，基于羟基/环氧基功能化石墨烯的锂离子电池碳硅纳米杂化电极材料也表现出显著提升的储锂性能。
5.确立了石墨混相插层剥离技术的吨级放大方案及详细工艺流程，包括石墨与插层液的复合方式及其对插层质量和插层效率的影响、插层工艺的自动化及节能设计、剥离过程中的物料导入方式和物料连续化处理方式以及其对剥离效率的影响、产品的收集及自动化控制、及插层液的分离和再利用等。
二、技术成熟程度
已在产业中应用
三、推广合作方式
整体转让
四、团队简介
项目团队依托中国石油大学（华东）高端化工与能源材料研究中心，长期以来致力于富碳纳米材料的结构与功能调控及其应用研究，在富碳纳米材料的结构设计、制备方法、功能集成、性能优化等方面积累了丰富的研究经验。项目负责人曾在富碳高分子材料的开拓者德国马普高分子研究所所长Klaus Müllen教授的研究团队工作，并担任课题组长，带领一个研究小组开创性地将分子石墨烯经由热化学反应拓展到由石墨烯单元结构组成的富碳纳米材料，大大拓展了分子石墨烯的研究领域，形成了一个新的研究方向。项目团队已在Nature Commun、Angew Chem Int Ed和J Am Chem Soc等国际一流学术刊物上发表高质量研究论文280余篇，获他人正面引用25000余次，项目负责人连续六年入选科睿唯安“全球高被引科学家”。先后承担了科技部国际合作、863、纳米重大专项课题，基金委国际合作、杰出青年基金、联合基金重点等项目20余项。授权国家发明专利30余项。获北京市自然科学三等奖、上海市自然科学一等奖。
五、专利授权及申请情况
1.一种边缘功能化石墨烯、其制备方法及用于制备防腐涂料的用途，李祥龙，苗中正，智林杰，2016.7.11，2016105434966，发明专利
2.一种大片层石墨烯及其制备方法，智林杰，苗中正，李祥龙，2016.4.27，201610270886.0，发明专利
3.一种还原过氧化石墨烯、包含其的中间层材料及锂硫电池，沈雨荻，苗力孝，邱雄鹰，智林杰，2017.3.15，201710153696.5，发明专利
4.一种石墨烯透明导电薄膜的制备方法，智林杰，宁静，邱雄鹰，金梅花，2015.7.30，201510459265.2，发明专利
5.一种液氮辅助制备高质量石墨烯的方法及制得的高质量石墨烯，智林杰，张涛麟，2017.3.17，201710160600.8，发明专利
6.一种大面积石墨烯透明导电膜的制备方法，智林杰，宁静，2014.04.08，CN201410138469.1，发明专利
7.一种高电导率石墨烯、制备方法及其用途，智林杰，张涛麟，杨琪，沈雨荻，2018.1.18，201810048326.X，发明专利
8.一种含氮二维共轭碳材料及其制备方法与应用，智林杰，拉希德·伊克巴尔，马英杰，2017.9.19，201710847482.8，发明专利
9.一种多孔碳纳米材料及其制备方法和用途，智林杰，梁家旭，肖志昌，2016.9.27，201610855731.3，发明专利
10.一种富氮多孔材料/碳纳米结构复合材料及其制备方法和用途，智林杰，宋琪，肖志昌，2014.10.22，201410566605.7，发明专利
11.一种碳基非金属氧还原催化剂、制备方法及其用途，智林杰，郝龙，2014.06.11，CN201410256830.0，发明专利
六、受资助及获奖情况
1.科技部重大纳米专项课题，石墨烯材料的结构与性能研究，2012.01-2016.12
2.国家自然科学基金地方联合重点项目，多孔纳米材料的多级结构设计及光电协同高级氧化技术用于工业污水处理的机制研究，2021.01-2024.12
3.北京市重点项目，石墨烯透明导电薄膜研制，2012/06-2014/06
4.北京市重大项目，混相插层法批量制备石墨烯粉体及其可控功能化技术研究，2017.01-2018.12
5.上海市自然科学，一等奖，富碳纳米储能材料的结构调控及其电化学行为，2019
联系方式：0532-86983018。
