日前,有媒体报道美国堪萨斯州立大学的物理学家可能找到了廉价量产石墨烯的方法,通过这种方法生产石墨烯只需三个简单步骤和使用三种简单材料。发明这种方法的克里斯·索伦森申请并获得了专利。这一消息,引起了我国科研人员的高度关注与热烈议论。  被称为“黑金”的石墨烯有哪些特性?我国石墨烯研发与应用又处于何种状态?  环境风险面前
寻找石墨烯制备新方法  科学家预言石墨烯将“彻底改变21世纪”,有可能掀起一场席卷全球的颠覆性新技术新产业革命。为此,近10年来全球从事这个领域研究的科学家们,都力求在石墨烯的制备技术上尽快突破,期望能早日实现量产,抢占国际市场制高点。  石墨是层状结构,层与层之间以范德华力相互作用,作用力较弱,很容易剥落。2004年,英国曼彻斯特大学的研究者利用胶带反复刮擦石墨片,直至获得单层的石墨,也就是石墨烯。江苏理工学院副教授唐煌7月4日接受科技日报记者采访时说:“这种二维碳材料表现出优异的物理及化学性质,成为材料学、物理学、化学等领域的研究热点。”  唐煌介绍,石墨烯的制备方法很多,科研上主要有微机械剥离法,化学气相沉积法,外延生长法,氧化还原法(Hummers法)等,除了Hummers法,其他方法制备的石墨烯质量较高,是石墨烯研究中不可或缺的方法。但是无法产业化量产,只能局限于实验室的科学研究。  目前,产业上Hummers法用得较多,但该方法得到的石墨烯不完美,结构上有很多缺陷,同时该方法产生大量化学废液,存在一定的环境风险。正是由于在石墨烯制备上存在着明显的缺陷,任何国家政府都没有办法支持它的产业化。因此,近年来,各国科学家又潜心寻找石墨烯制备的新方法。  海洋化工研究院高级工程师孙春龙7月6日对科技日报记者说:“类似克里斯·索伦森的爆炸法制备石墨烯,国内也有人研究过,但至今没听说过有成功量产的消息。”  市场需求虽大
石墨烯却难以量产  由于石墨烯的结构特点,决定了石墨烯具有薄且坚硬,透光度好,导热性强,导电率高,结构稳定,电子迁移速度快等特性,市场应用前景广阔,近10年来,石墨烯概念在全球受到广泛追捧,国内对石墨烯的研发与应用热度,也是“水涨船高”,持续不减。  尽管市场需求大,但石墨烯却始终难以量产。“关键在于必须解决一些重要的技术难题。”唐煌告诉记者,目前,石墨烯在产业界还缺乏统一的质量标准。而技术和标准也成为制约石墨烯产业化的巨大绊脚石,石墨烯的产业化依旧任重道远。  单层与多层有何不同之处?唐煌解释,石墨烯根据其层数一般可以分成单层石墨烯、双层石墨烯、少层石墨烯和多层石墨烯。其中,单层石墨烯是严格意义上的石墨烯,少层石墨烯由3—10层构成。当层数大于10层,一般称为多层石墨烯。因为石墨烯的优异性能会随着层数的增加显著下降,业界认为,超过10层便不具备石墨烯材料的优异性能。  7月6日,多年从事研发的中国碳谷科技集团首席专家戴加龙在接受科技日报记者采访时表示:“应该说,在国际石墨烯制备技术上,我国处于国际同步的水平。除了常用的氧化还原法和液相剥离法外,我们碳谷科技采取产学研联合攻关,使用优质大鳞片石墨为原料,通过微机械剥离方式制得少层石墨烯,其主要优点是径厚比大、生产过程无污染、保留了二维材料优秀的机械性能和电学性能。”  用中科院院士、北京大学纳米科学与技术研究中心主任刘忠范的话来说,“碳谷科技独特的分段式微机械剥分工艺,在当前国际石墨烯产业面临多种制约和瓶颈之下,开创了一条新的发展路径,为石墨烯产业的大规模应用,起到了很好的引领作用。”  基础研究尚欠火候
应用推广却已火热  孙春龙告诉记者,最近,关于石墨烯的产业化应用,在重防腐涂料、石墨烯散热薄膜、石墨烯基电池等方面,取得了一定进展。但事实上,这些应用对石墨烯质量要求不是太高,部分领域产品虽然实现商品化,性能并没有体现出惊人的效果。即使在新能源领域,有些石墨烯导电剂的产品性能还不能与碳纳米管相比,这本身与石墨烯的层数有关,表明石墨烯技术还不成熟,石墨烯只能替代部分的传统材料。  用戴加龙的话来说,石墨烯制备技术的关注程度不如前几年,很多企业注意力都集中在石墨烯的应用上,认为石墨烯制备技术已经成熟,但得到的石墨烯应用产品效果却差强人意。就国内石墨烯现状来看,整个产业仍处于发展初级阶段,并未进入产业化。  记者了解到,到目前,国际上还没有单层石墨烯量产。石墨资源在我国储量丰富,产量占了世界70%左右,但一些地方把石墨烯与石墨资源混为一谈,只要当地发现了石墨资源,就打出石墨烯的概念,而且各地依托石墨资源规划的石墨烯产业园千篇一律,同质化非常严重。  近年来,国内的一些科研单位与材料领域的生产企业,在概念依然模糊,缺乏开发能力的情况下,就投入大量的资金,盲目直奔石墨烯而去,致使石墨烯研究院、石墨烯产业基地、石墨烯新材料园区遍地开花。更让专家们担忧的是,石墨烯关键核心技术还没有解决,真正意义上的石墨烯产品还没出来,一些研发与生产单位,就开始到处游说开发成功。现在,已开始从“研发热”转向“应用热”,各式各样的应用推广会议,更是铺天盖地。  从概念走向应用
促使产业化健康发展  目前,国内石墨烯从业企业,绝大多数是中小型企业,年销售额多数仅在百万元左右,且缺乏产品开发能力。因此,一些对外宣称具备百吨年产能的生产企业,其产值和盈利能力远远没有达到预期,多数企业处于亏损状态。  北京墨烯科技发展有限公司副总经理邹传泉说:“当前国内石墨烯‘虚火’过旺。如果关键技术不解决,停留在低水平,5到8年内,就会有大批企业倒下。”  戴加龙认为,在这场石墨烯的热潮中,一些地方与企业走上了另一个极端,把石墨烯视为拉动经济发展的“神丹妙药”,到了非理性的“狂热”地步,严重影响着石墨烯产业的健康发展。  如何消除过旺的“虚火”?专家提出,决不能把目光都死盯在石墨烯这个“独木桥”上,实际上,利用石墨资源可开发的产品很多,地方政府和企业应因地制宜,围绕市场开发多品种、高值化的产品。  孙春龙告诉记者,中国拥有广阔的防腐涂料市场,其中海洋重防腐涂料需求日益增加。随着国内多家科研单位和企业投入研发的石墨烯基重防腐涂料的集中问世,不但对防腐涂料领域的发展具有重要的意义,也是一个促使石墨烯走向产业化的突破口,将有力推动石墨烯从概念到应用的发展。

据外媒“石墨烯信息”网8月5日报道,麻省理工学院的研究人员近日开发出一种柔性透明的石墨烯太阳能电池。它可以被安装于各类物质表面上,从玻璃到塑料,连纸张和磁带也可以。被誉为“黑金”的石墨烯近年来受到科学界的重点关注,大有薪薪之火有燎原之势。我国石墨烯的研发与应用又是什么样的情况呢?

究竟石墨烯是什么?

澳门新葡萄京棋牌手机版,2004年,英国曼彻斯特大学的研究者利用胶带反复刮擦石墨片,直至获得单层的石墨,也就是石墨烯。它是只有一个碳原子厚度的二维材料,是目前世界上最薄也是最坚硬的纳米材料,它几乎是完全透明的,至吸收2.3%的广,同时导热性能和导电性都非常高,结构也非常稳定,市场应用前景十分广阔。

科学家预言石墨烯将“彻底改变21世纪”,有可能掀起一场席卷全球的颠覆性新技术新产业革命。为此,近10年来全球从事这个领域研究的科学家们,都力求在石墨烯的制备技术上尽快突破,期望能早日实现量产,抢占国际市场制高点。

石墨烯制备技术还有待提升

石墨烯的制备方法主要分为“自上而下”和“自下而上”两类方法。“自上而下”法是通过剥离石墨材料来制备石墨烯层,如微机械剥离法、氧化石墨还原法、碳纳米管轴向切割法、液相分离法;而“自下而上”法是通过碳原子的重新排列来合成石墨烯,如化学气相沉积法(CVD)、外延生长法、有机合成法等。

目前行业应用上,氧化还原法用的较多。该方法而且可以制备稳定的石墨烯悬浮液,解决了石墨烯不易分散的问题,而且成本低廉也容易实现,但是这种制备方法容易带来废液污染和制备的石墨烯存在一定的缺陷。

随着技术的不断改进,部分制备方法也从实验室走向了市场。据聚碳复材董事长陈小刚介绍,其公司采用的是物理法量产石墨烯,该方法能真正实现
“零排放”,并且是世界上少数能以业界普遍接受的成本实现规模化生产石墨烯。

聚碳董事长也坦言,聚碳复材通过物理法制得少层石墨烯,其主要优点是径厚比大、生产过程无污染、保留了二维材料优秀的机械性能和电学性能。但是这并不是严格意义上的石墨烯。单层石墨烯才是严格意义上的石墨烯。

目前,国内国外制备出来的石墨烯基本是少层或多层的。当层数大于10层,一般称为多层石墨烯。因为石墨烯的优异性能会随着层数的增加显著下降,业界认为,超过10层便不具备石墨烯材料的优异性能。石墨烯当前的制备技术虽然取得了巨大进步,但制备技术在现阶段还是不够成熟。

资源配备制约着石墨烯产业化发展

另外,石墨烯的深度应用要从实验室走向市场的技术攻关和资源配备还需一个漫长的过程。当前市场上石墨烯的产业化应用,主要是在重防腐涂料、石墨烯散热薄膜、石墨烯基电池等方面。事实上,这些应用对石墨烯质量要求不是太高,部分领域产品虽然实现商品化,性能并没有体现出惊人的效果。在新能源领域,有些石墨烯导电剂的产品性能还不能与碳纳米管相比,这本身与石墨烯的层数有关,石墨烯只能替代部分的传统材料。

石墨烯优良的性能,在实验室中可以绝佳的呈现,但应用到现有产品中,必先解决一些列问题。比如,业界普遍看好石墨烯应用到现有动电池中,既能提升电池容量又能提高电池的充电速度。

陈小刚介绍,聚碳复材的工程师掌握了石墨烯和磷酸铁锂原位复合技术,这项技术能实现无论多大容量都能在5分钟内充满电的设想。但是,目前无论是隔膜、电解液等还不能负荷这项技术的实际应用。技术制约、资源配备在很大程度上制约了石墨烯的发展,石墨烯在产业化和尖端利用方面,可以说任重而道远。

行业环境向好

但石墨烯由于薄且硬、透光好、导热强、导电率高的优异性能,其应用前景会非常广阔。相信在全球范围对石墨烯研发与应用的热度只增不减。业界预计,未来五年到十年,石墨烯年产能将到达千吨级。到2020年,石墨烯工业化规划将取得突破,并到达千亿级别。

国家在“十二五”规划中间明确将新材料列为重要的战略新兴产业;国家自然科学基金委员会已经陆续拨款超过
3
亿元资助石墨烯相关项目;国家引导石墨烯产业成立了中国石墨烯产业技术创新战略联盟……国家和各级政府的一系列的支持政策、行业标准逐步完善中、民间资本不断涌入,使石墨烯制备和应用技术得以大力发展,目前水平已经能与国际比肩。

市场火热并不见得是坏事

同时,
国内石墨烯行业也存在着“研发热”、“应用热”的问题。主要表现在一些科研单位与材料领域的生产企业,在概念依然模糊,缺乏开发能力的情况下,就投入大量的资金;或者石墨烯关键核心技术还没有解决,真正意义上的石墨烯产品还没出来,一些研发与生产单位,就开始到处游说开发成功。有专家担心这些不务实、非理性的跟风式发展,严重影响力石墨烯产业的健康发展。

但笔者认为,市场这种种“热”并不见得是坏事。随着整个石墨烯行业技术的不断发展及下游应用的成熟,虽然还未出现具有“颠覆性”的应用方向,但是在一些相对成熟的领域的应用已经越来越明朗。就目前石墨烯在重防腐涂料、石墨烯散热薄膜、石墨烯基电池等方面应用产生的效益是显而易见的。“研发热”、“应用热”终归是要通过产品体现的,而受益的除了产品本身,对产品所在行业无疑也是利好消息。

石墨烯应用市场上,无论资本、企业、市场如何炒作,将极大程度低提升石墨烯应用产品的质量和应用范围。石墨烯的运用与发展最后必将是核心技术的竞争,市场自然会进行优胜劣汰、资源整合,推动石墨烯行业形成完整、成熟的产业链。

网站地图xml地图