鄭劍威
摘 要 石墨烯被稱為“黑金”、“新材料之王”,是主導第四次工業(yè)革命的超級材料之一,已經(jīng)成為各國爭相占領的產(chǎn)業(yè)發(fā)展制高點。本文總結(jié)了石墨烯的制備與應用,以及各國搶占石墨烯產(chǎn)業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略制高點途徑,為產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供有益借鑒。
關鍵詞 石墨烯 制備 應用 產(chǎn)業(yè)
中圖分類號:O646 文獻標識碼:A
1石墨烯的戰(zhàn)略意義
石墨烯被稱為“黑金”、“新材料之王”。是世界上已知的強度最高、韌性最好、重量最輕、透光率最高、最好的納米導電材料,集透光性好、導熱系數(shù)高、電子遷移率高、電阻率低、機械強度高等多種優(yōu)異性能于一身,因其優(yōu)異的性能在電子學、光學、磁學、生物醫(yī)學、催化、儲能和傳感器等諸多領域,應用廣泛,將帶來科技產(chǎn)業(yè)的革命性變革,是主導第四次工業(yè)革命的超級材料之一,石墨烯已經(jīng)成為各國爭相占領的產(chǎn)業(yè)發(fā)展制高點。
2石墨烯的制備獲得與應用
石墨烯是一種由碳原子以sp2雜化方式形成的蜂窩狀平面薄膜,是一種只有一個原子層厚度的準二維材料,所以又叫做單原子層石墨。2004年,英國曼徹斯特大學物理學家安德烈·蓋姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫,用微機械剝離法成功從石墨中分離出石墨烯,首次證明單層石墨烯的穩(wěn)定存在,該方法制備石墨烯的晶體結(jié)構(gòu)比較完整,物理性能相對優(yōu)良,并獲得2010年諾貝爾物理學獎。但是此種方法制備的石墨烯產(chǎn)量低、人力耗費大,且由于強大的范德華力很容易團聚,另此法制備的石墨烯表面沒有親水基,使其在各個領域的應用受限。
石墨烯的制備方法還有溶劑剝離法、氣相沉積法(CVD)、碳化硅外延生長法、氧化石墨烯還原法以及相應改良方法等。溶劑剝離法、氣相沉積法(CVD)、碳化硅外延生長法同樣存在產(chǎn)量低的問題。其中,溶劑剝離法的溶劑選擇具有局限性,使得制備過程受限;CVD法工藝復雜,致可重復性差;碳化硅外延生長法制備工藝要求高,不容易得到均勻的石墨烯膜層。目前,石墨烯的主要方法是氧化石墨烯還原法,即先將天然石墨氧化,添加氧化劑得到氧化石墨烯,再通過一定手段將氧化石墨烯還原,從而得到石墨烯。此類方法的成本較低,石墨烯表面親水基使其應用范圍廣,但此法制備出來的為多層石墨烯或石墨微晶,非嚴格意義上的石墨烯,在性能上大打折扣,且制備過程所產(chǎn)廢液對環(huán)境污染較大。
現(xiàn)階段,利用石墨烯制備的產(chǎn)品有石墨烯傳感器、石墨烯超級電容器、石墨烯觸屏、石墨烯半導體和電子元件、石墨烯輪胎、塑料,石墨烯光電子元件、石墨烯顯示器,石墨烯薄膜、石墨烯散熱材料等等。其中,石墨烯薄膜、石墨烯電池正走向產(chǎn)業(yè)化。
3搶占石墨烯產(chǎn)業(yè)發(fā)展制高點
石墨烯正處于突破轉(zhuǎn)化產(chǎn)品的技術瓶頸關鍵期,各國政府不斷加大石墨烯研發(fā)的支持力度,希望能在石墨烯研究和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展中搶占先機。目前,全球已有近百個國家投入石墨烯的研發(fā)、生產(chǎn)。美國、歐盟及其成員國、日本和韓國較先開展相關的戰(zhàn)略部署,走在了全球石墨烯研究與產(chǎn)業(yè)化的前列。
3.1將石墨礦產(chǎn)定位為國家戰(zhàn)略資源
石墨烯的主要原材料是石墨。據(jù)USGS統(tǒng)計,2013年全球石墨總儲量約1.3億噸礦物量。中國、印度、巴西、墨西哥的石墨儲量合計占全球總儲量的92.77%,具有占領石墨產(chǎn)業(yè)發(fā)展制高點的資源競爭力。烏干達等國家已經(jīng)將石墨礦產(chǎn)定位為戰(zhàn)略保護資源,并對開采方式和外資提出了嚴格的標準。
3.2戰(zhàn)略引導石墨烯基礎研究
受制于技術瓶頸,目前市場上量產(chǎn)的“石墨烯”絕大部分是氧化石墨烯,掌握能夠真正適用于大規(guī)模、綠色化、工業(yè)化生產(chǎn)的石墨烯制備工藝將成為各國核心競爭力,并且在第四次工業(yè)革命進程中占據(jù)先導權。美國通過國家基金項目早早布局石墨烯基礎研究;日本經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)省對石墨烯的批量合成進行重點支持;英國更是提出“讓石墨烯在英國制造”的口號;韓國更以國家名義聯(lián)合國內(nèi)50 多家研究機構(gòu)和企業(yè)組成石墨烯聯(lián)盟,加強石墨烯的前沿技術。
3.3研發(fā)高端石墨烯產(chǎn)品
石墨烯由于其優(yōu)異的性能,石墨烯已經(jīng)被開發(fā)出許多產(chǎn)品,如石墨烯生物材料,石墨烯超級電容器,石墨烯傳感器等等。但因為石墨烯轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品的技術瓶頸較多,石墨烯產(chǎn)品還未能全面進入人類生產(chǎn)和生活。目前石墨烯產(chǎn)品相對低端化,如利用墨烯粉末為原料加工的功能涂料、復合材料、電極材料和結(jié)構(gòu)增強型材料。雖然部分已初步產(chǎn)業(yè)化,但規(guī)模小、技術含量不高、附加值較低。而以石墨烯薄膜為原料的高端產(chǎn)品,如微電子材料和顯示屏薄膜材料等,或處于實驗室階段,或處于中試階段。
3.4建設石墨烯產(chǎn)業(yè)集聚區(qū)
歐洲和美國的石墨烯領域主要集中在大學為主的科研方面,還沒有一些正式的產(chǎn)品甚至是形成產(chǎn)業(yè)集聚區(qū)。由于中國政府的大力支持,不僅高??蒲泄ぷ魃钊腴_展,更或是很多公司研發(fā)產(chǎn)品,并形成產(chǎn)業(yè)集聚區(qū)。據(jù)2018(第四屆)中國石墨烯終端應用技術大會報道顯示,截至2017年6月,中國擁有石墨烯技術專利、從事相關制備、銷售、應用、投資、檢測、技術服務的企業(yè)數(shù)量達到2584家,其中擁有成形石墨烯業(yè)務的企業(yè)數(shù)量為580家,初步形成長三角、珠三角、京津冀、山東、閩皖、西南等石墨烯產(chǎn)業(yè)集聚區(qū)。其中,江蘇2011年在全國率先建立首個基于石墨烯材料及應用的產(chǎn)業(yè)化基地,現(xiàn)已誕生5個全球第一,即全球第一款石墨烯手機電容觸摸屏、全球第一條年產(chǎn)100噸石墨烯粉體生產(chǎn)線、全球第一家石墨烯研究機構(gòu)——江南石墨烯研究院、全球第一條3萬平方米CVD法石墨烯透明導電薄膜生產(chǎn)線、全球第一款蛋白質(zhì)分離試劑。與此同時,石墨礦產(chǎn)開采方式落后,石墨利用率低,石墨烯生產(chǎn)工藝落后且盲目擴大產(chǎn)能,而石墨烯應用產(chǎn)品的附加值低、產(chǎn)品同質(zhì)化嚴重,中國石墨烯研究和產(chǎn)業(yè)發(fā)展基本處于產(chǎn)業(yè)鏈和價值鏈的低端。
4結(jié)語
石墨烯是戰(zhàn)略必爭型產(chǎn)業(yè),未來5-10年全球石墨烯市場將進入高速發(fā)展期。中國是石墨礦產(chǎn)大國,石墨烯相關技術研發(fā)還處于初期階段,各國之間尚未拉開距離,此時頂層設計尤為重要。中國應結(jié)合中國制造2025戰(zhàn)略,牢牢把握國際脈搏,從國家層面制定石墨烯發(fā)展方向,并聚焦基礎性、戰(zhàn)略性、前沿性石墨烯產(chǎn)品技術研發(fā),研究石墨烯技術成熟度路線圖,梳理引導企業(yè)占據(jù)石墨烯產(chǎn)業(yè)鏈的關鍵環(huán)節(jié),切莫急功近利,導致石墨烯同質(zhì)化低端化競爭。
參考文獻
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