石墨烯＋玻璃，材料界的」天作之合」！

小烯導讀

玻璃已經成為人們生活中不可或缺的重要材料，成本低、應用過廣，然而玻璃本身的導電性和導熱性都很差，石墨烯各項優異不必多說，但是石墨烯很難被單獨使用，需要依託於某種襯底才能表現出這些性能。玻璃具有和石墨烯相匹配的透明性，同時在導電性、導熱性和浸潤性方面能夠和石墨烯形成互補。所以石墨烯玻璃應運而生，今天帶大家學習下材料領域堪稱天作之合的「石墨烯玻璃！」

玻璃

石墨烯

作為一種典型的傳統材料，玻璃的使用可以追溯到公元前。直至今天，玻璃已經成為人們生活中不可或缺的重要材料，由於其良好的透明度和低廉的成本，被廣泛應用於建築、化工、電子、光學、醫藥以及食品等諸多領域。然而玻璃本身的導電性和導熱性都很差，制約了其在更多領域的應用。

而另一種同樣具有高透光性的新型二維納米材料——石墨烯，自2004年由英國曼徹斯特大學的Novoselov等首次利用膠帶剝離法製備出來之後1，其相關研究在這十年間取得了突飛猛進的發展，有望成為21世紀最具代表性的新材料。

石墨烯各項優異的物理性能為其在應用領域的發展奠定了基礎，然而其超薄的二維結構決定了石墨烯很難被單獨使用，需要依託於某種襯底才能表現出這些性能。玻璃具有和石墨烯相匹配的透明性，同時在導電性、導熱性和浸潤性方面能夠和石墨烯形成互補。

因此，將石墨烯與玻璃結合在一起，發展出一種新型複合材料，即石墨烯玻璃，既能夠保持玻璃本身透光性好的優點，又能夠把石墨烯所具有的超高導電性、導熱性和表面疏水性等特點賦予玻璃。同時由於玻璃成本低廉，應用廣泛，使得石墨烯玻璃有望成為一種能夠走進日常生活的新型材料。

1 石墨烯玻璃的製備方法

在石墨烯基底上間接製備石墨烯的方法

(1) 氧化還原石墨烯法

首先從氧化石墨中通過熱膨脹法或超聲分解法得到氧化石墨烯溶液; 然後將此溶液製成薄膜，制薄膜的方法有噴塗法、旋塗法、浸塗法和滴塗法幾種; 最後是還原，去掉交織在氧化石墨烯薄膜中的氧和氫，即－COOH，－OH，C－O－C 等基團，還原方法包括化學還原法和高溫還原法兩種。

上海交通大學陳彧等採用超聲分解法得到氧化石墨烯溶液，然後用旋塗法在玻璃基體上製得氧化石墨烯薄膜，最後用高溫還原法得到石墨烯。研究結果表明將氧化石墨烯薄膜的厚度控制在10 nm 以下效果最佳; 在進行了還原溫度、時間及氣氛等一系列實驗後，確定高溫還原的工藝為1 000 ℃高溫、氬氫混合氣體的條件下還原2 h，可得到薄膜電阻較小且透過率較佳的石墨烯玻璃。

利用液相剝離石墨烯或用氧化還原石墨烯做原料，通過液相塗膜的方法在玻璃表面塗覆一層石墨烯膜。

缺點：

這是一種較早使用的石墨烯玻璃製備方法，通過Langmuir－Blodgett( LB) 膜或旋棒、塗棒等手段將石墨烯塗覆在玻璃表面形成石墨烯膜，然而由於石墨烯片的尺寸小、缺陷多、層數不均勻，導致用這種方法製備的石墨烯膜的均勻性和品質都不理想。

( 2) 化學氣相沉積法

用化學氣相沉積法( CVD) 在金屬基底( 如銅) 表面生長出石墨烯薄膜，然後把此薄膜轉移到玻璃表面。由於CVD 方法具有價格低廉、製備簡單、可控性強等優勢，同時由於金屬對於石墨烯的生長具有明顯的催化作用，因此利用CVD 方法在金屬基底上生長石墨烯已成為實現大面積、高品質石墨烯製備的主流方法。

缺點：

在將金屬基底表面生長的石墨烯轉移到玻璃表面的過程中，由於液相化學試劑的使用，會不可避免地帶來石墨烯的污染問題，以及存在著轉移工藝繁複、容易引起石墨烯的缺陷和褶皺等，這些因素都極大地制約了所獲得的石墨烯的各項性能。

在玻璃基底上直接生長石墨烯

與金屬基底相比，利用CVD 方法在玻璃表面直接生長石墨烯主要面臨兩個方面的困難: 一方面玻璃自身的催化性能很弱，使得碳源裂解困難，石墨烯在玻璃表面的成核和生長較難進行; 另一方面玻璃的軟化溫度一般都低於石墨烯的生長溫度，使得玻璃表面石墨烯的生長需要另闢蹊徑。

近年來，國內多所院校、研究機構進行了在玻璃基底上直接生長石墨烯的研究，並取得了巨大的進步。北京大學目前已成功在玻璃表面直接生長出石墨烯。

(1) 在熔融態玻璃表面生長石墨烯是採用常壓CVD 的方法，在1 000 ℃高溫下退火30 min 獲得熔融態玻璃，然後通入甲烷，甲烷裂解後在玻璃表面形成石墨烯核心，繼而生長成大小和分布都十分均勻的石墨烯圓片，隨著甲烷濃度的增大，這些圓片會聚集在一起，形成整層的石墨烯。此工藝適合在線生產石墨烯玻璃。

(2) 在低溫條件下，採用等離子體輔助化學氣相沉積( PECVD) 的方法在玻璃表面生長石墨烯。它通過高能等離子體輔助碳源的裂解，從而有效降低了石墨烯生長所需溫度，在400 ～ 600 ℃條件下即可完成石墨烯的生長。由於在等離子體作用下碳源的裂解較快，因此PECVD 石墨烯的生長速度比高溫熱CVD 下生長要快。但由於生長溫度較低，吸附在玻璃表面的活性炭物種的遷移運動受到一定的限制，因此PECVD 生長的石墨烯缺陷更多，結晶質量也更差。

相比於通過液相塗膜或轉移方法製備的石墨烯玻璃，玻璃表面直接生長的石墨烯具有獨特的優勢。一方面，由於石墨烯與玻璃之間接觸緊密，相互作用力強，界面清潔，具有很好的穩定性。另一方面，液相塗膜或轉移得到的石墨烯薄膜難免會存在破損和污染，這都會對石墨烯性能造成極大地破壞，而直接生長可以從根源上避免這些問題。與此同時，這種直接在玻璃表面生長的一步製備方法，操作簡單，具備實現石墨烯玻璃規模化生產的能力，對於推動石墨烯玻璃走嚮應用具有重要作用。

2 石墨烯玻璃的應用

一種新材料是否成功，在很大程度上取決於其能否找到自己的應用領域。通過我們發展的直接生長方法，石墨烯玻璃可以一步製備完成，為其規模化生產創造了可能，這就更加迫切地需要對石墨烯玻璃的各種應用進行探索。

電致變色窗口

電致變色窗口可以通過施加電壓對窗口的透光性和顏色進行調節，在智能建築和智能家居中扮演重要角色。在各種類型的電致變色窗口中，透明導電組件都是非常重要的組成部分，石墨烯玻璃集成了玻璃的透光性和石墨烯的導電導熱性能，具有發展電致變色窗口的潛力。由於石墨烯玻璃本身的電阻適中，施加電壓時會產生熱量(電阻加熱)，在一塊尺寸為1 cm × 2 cm石墨烯玻璃上施加20 V的電壓，石墨烯表面的溫度便可達到(43.5 ± 1.3) °C，且整體溫度分布均勻，滿足電熱類變色窗口的要求。

防霧視窗

防霧視窗是基於石墨烯玻璃透明導電導熱性質的另一個重要應用。由於水霧的產生源於大量微米級的水珠覆蓋在玻璃的表面，因此常見的防霧視窗一般通過表面親水化、表面疏水化或者表面加熱的方式來防止水珠在視窗表面的覆蓋。

由於石墨烯本身的導電性和疏水性，使得石墨烯玻璃同時兼具表面疏水化和表面加熱的能力，既可以通過疏水性達防止霧氣形成，又能夠在特殊環境下通過電加熱進行除霧。因此，石墨烯防霧視窗同時具有被動和主動防霧能力，是一種理想的防霧視窗原材料。

生物培養皿

由於石墨烯具有良好的生物相容性，有利於細胞增殖，基於石墨烯玻璃製成的培養皿等玻璃器皿有望成為一種新型實驗樣品。我們將石墨烯玻璃作為NIH-3T3細胞67的生長媒介，藉助DAPI染色技術研究細胞在石墨烯玻璃表面的生長、增殖情況。圖7(e)展示了細胞在培養72 h後的結果，在石墨烯玻璃表面表現出良好的增殖行為。藉助染色技術可以清晰地觀察到細胞保持正常的形貌與骨架，說明石墨烯不會對細胞結構產生影響。圖7(f)通過統計細胞在24、48及72 h的數目，展示了石墨烯玻璃良好的生物相容性。

3 石墨烯玻璃存在挑戰及展望

石墨烯玻璃所具有的透明導電、導熱、表面疏水以及生物相容性等特點，使得石墨烯玻璃具有廣泛的應用潛力。我們通過發展基於石墨烯玻璃的電致變色窗口、防霧視窗、細胞培養基底以及光催化基板，展示了未來石墨烯玻璃在建築、汽車、能源、環境、生物醫藥等諸多領域的應用前景。因此，石墨烯玻璃是實現石墨烯產業化應用的一條切實可行的道路。

石墨烯玻璃所表現出的優異性能及其應用價值值得我們繼續關注、深入研究。目前對石墨烯玻璃的生長和應用研究，在科學和技術上依舊存在眾多問題沒有解決，比如進一步提高玻璃表面石墨烯的質量，降低生長溫度，縮短生長時間，實現石墨烯玻璃的工業化生產，拓展新的有價值的應用等。這對於廣大科研工作者來說，既是挑戰又是機遇。相信隨著研究的深入，這些問題終會解決，石墨烯玻璃將會應用在日常生活中的方方面面。