1.作为21世纪的新兴碳纳米材料，石墨烯具有十分优异的性能，在众多领域中都展现出巨大的应用潜力。煤基石墨烯研究与制备尚属于早期阶段，影响因素较多，如煤的成因类型、煤结构、煤阶、显微组分及矿物质等。以煤为碳源制备石墨烯的研究还需深入，许多关键技术与科学问题亟待解决。

　　2. 技术问题。目前，以煤为前驱体制备石墨烯大多需要石墨化，然后进行氧化还原，在制备过程中会引入酸和氧化剂等杂质，影响石墨烯的性能表征，所以煤基石墨烯需要开发更多的纯净式的制备方法，尤其是基于不同煤基原料的特性发展适应性的制备技术，以丰富煤基石墨烯的制备研究。由于分辨率的限制，目前还无法很好地直接观察煤中芳香核结构，从而影响了对煤中芳香层片的研究，利用球差透射电镜对煤中芳香核等煤的微观结构的研究有待普及。

　　3. 科学问题。煤化程度对煤基石墨烯及其衍生物的影响究竟是以什么方式与途径来产生的尚不清楚。无烟煤、烟煤和褐煤之间存在较大的结构和性能差异，主要表现在大分子结构中芳环的缩合程度不同或具有不同的芳氢和侧链取代基含量。经高温热处理后，煤的纹理变化会依赖其不同变质程度的原始化学结构，因此，煤基石墨烯及其衍生物的结构特征也可能会保留其前体的质地特征，进而影响制备产物。

　　煤中矿物质、显微组分和杂原子对煤基石墨烯的影响机制尚不明确。不同煤类具有不同的显微组分占比，且矿物质含量变化较大，这都会对煤中芳香结构的演化和纳米结构的形成产生影响。此外，在制备石墨烯时，煤中的非碳元素，即H、N、O和S等杂原子可能结合到石墨烯片层结构上，从而影响产品性质，使产品质量难以控制。因此，为制备出质量较好的煤基石墨烯产品，必须深入了解煤中矿物质、显微组分和杂原子对煤基石墨烯的影响机制。

　　煤基石墨烯的形成机理有待揭示。煤结构的复杂性为探索煤基石墨烯的成因机理带来了挑战。各向异性体的局部有序如何演变为石墨或石墨烯的整体有序还不明确。煤是占有三维空间的大分子，由许多结构相似但又不完全相同的结构单元所组成，其结构单元的核心是缩合程度不同的芳环、脂环和杂环，环之间由氧桥、亚甲基桥、醚键等连接;侧链部分主要有烷基、羟基、羧基和甲氧基等。此外，煤中小分子的变化规律也会对煤基石墨烯产生影响，因此，煤基石墨烯形成过程中各类化学键、非共价键、小分子的变化规律需要深入分析。

　　4.重点研究内容

　　总体上，煤基石墨烯的研究已经取得了较显著的进展。考虑到石墨烯等碳材料的潜在需求，其能否得到广泛应用，在很大程度上取决于生产成本及对其性能研究的深度。煤是最丰富、廉价和最易得到的碳资源，煤炭用于石墨烯等新型碳质材料及其复合材料的开发与应用是一项值得深入探索的工作，同时也有助于实现煤炭的高效洁净无害化利用和“高技术、高附加值”的生产转变。针对煤基石墨烯研究趋势和现存的问题，建议未来重点研究方向如下。

　　a. 加强地质作用下的煤基石墨烯研究 业界普遍认识到原料煤的结构、组成不同，最终会影响煤基石墨烯产品的结构和性能，而煤的结构演变受地质因素影响显著，尤其是不同成因和不同变质类型，会影响和控制煤的原始结构和物质组成，如显微组分的占比、矿物质的含量、基本结构单元的秩理性，以及桥键和侧链的数量、种类与分布特征等。在煤基石墨烯制备过程中煤结构和组成物质的某些特征会得到很好的保留，进而影响煤基石墨烯产品的结构和性能。因此，未来煤基石墨烯的地质–地球化学基础研究将会是一个趋势，以煤结构和反应性为纽带，开展地质因素对煤基石墨烯的影响研究。

　　b. 从热力学角度研究煤基石墨烯成因机理 煤基碳结构很复杂，通常被认为是由含1~10 nm的小石墨微晶(Small graphite crystallite，SGCs)组成，SGCs通过相对较弱的交联作用结合在一起。要形成石墨烯结构，需打破煤中原有的各种碳结构，使碳原子重新组合，不仅需破坏其结构中的弱键，还须破坏其结构中的共价键。热力学和分子动力学的发展将为煤基石墨烯成因机理的研究打开大门，未来煤基石墨烯的研究应从热力学和分子动力学角度探究煤中芳香层片、碳结构、化合键的演变过程与能量、焓变之间的关系。分析煤中芳香层片在煤基石墨烯制备过程中的变化，尤其是碳结构的赋存形态和迁变规律，以及煤中化合键的解离与结合规律。

　　c. 基于不同煤基原料特性相适应性的制备技术研究 从已有研究成果来看，目前并非所有变质程度的煤都被用来制备石墨烯，主要是具有石墨化倾向的无烟煤、炼焦副产物煤沥青和能够提取腐殖酸的低阶褐煤或风化煤。对于无烟煤多依赖于氧化还原法来制备石墨烯，而对于煤基沥青和煤基腐殖酸来说，电解加上化学气相沉积是比较理想的制备手段。未来煤基石墨烯的原料应考虑不同的煤类，如腐泥煤和残植煤类。并依据不同煤类的煤岩煤质特征和煤基产物的不同特点优选制备方案，如煤热解气可采用化学气相沉积法，具有石墨化趋势的热解焦炭可采用氧化还原法。此外，在煤基石墨烯的制备工艺中如何改良反应试剂和催化条件，使制备达到高效、安全、环保的目的，也值得今后进一步探索。

　　d. 煤基石墨烯应用基础研究 未来的煤基石墨烯研究将会带动煤炭产业朝着“高精尖”方向发展，借助于煤岩学与煤化学，探讨煤基石墨烯的成因机制与影响因素，实现煤基石墨烯的实验室制备到宏量生产的转变，把煤基石墨烯产品应用于国民建设，进而扩展煤的应用领域，促进煤的分级分质与清洁高效利用。

参考文献：《煤基石墨烯原料与制备技术研究进展》