日前，有媒體報(bào)道美國(guó)堪薩斯州立大學(xué)的物理學(xué)家可能找到了廉價(jià)量產(chǎn)石墨烯的方法，通過這種方法生產(chǎn)石墨烯只需三個(gè)簡(jiǎn)單步驟和使用三種簡(jiǎn)單材料。發(fā)明這種方法的克里斯·索倫森申請(qǐng)并獲得了專利。這一消息，引起了我國(guó)科研人員的高度關(guān)注與熱烈議論。
被稱為“黑金”的石墨烯有哪些特性?我國(guó)石墨烯研發(fā)與應(yīng)用又處于何種狀態(tài)?
環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)面前尋找石墨烯制備新方法
科學(xué)家預(yù)言石墨烯將“徹底改變21世紀(jì)”，有可能掀起一場(chǎng)席卷全球的顛覆性新技術(shù)新產(chǎn)業(yè)革命。為此，近10年來全球從事這個(gè)領(lǐng)域研究的科學(xué)家們，都力求在石墨烯的制備技術(shù)上盡快突破，期望能早日實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，搶占國(guó)際市場(chǎng)制高點(diǎn)。
石墨是層狀結(jié)構(gòu)，層與層之間以范德華力相互作用，作用力較弱，很容易剝落。2004年，英國(guó)曼徹斯特大學(xué)的研究者利用膠帶反復(fù)刮擦石墨片，直至獲得單層的石墨，也就是石墨烯。江蘇理工學(xué)院副教授唐煌7月4日接受科技日?qǐng)?bào)記者采訪時(shí)說：“這種二維碳材料表現(xiàn)出優(yōu)異的物理及化學(xué)性質(zhì)，成為材料學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)等領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。”
唐煌介紹，石墨烯的制備方法很多，科研上主要有微機(jī)械剝離法，化學(xué)氣相沉積法，外延生長(zhǎng)法，氧化還原法(Hummers法)等，除了Hummers法，其他方法制備的石墨烯質(zhì)量較高，是石墨烯研究中不可或缺的方法。但是無法產(chǎn)業(yè)化量產(chǎn)，只能局限于實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)研究。
目前，產(chǎn)業(yè)上Hummers法用得較多，但該方法得到的石墨烯不完美，結(jié)構(gòu)上有很多缺陷，同時(shí)該方法產(chǎn)生大量化學(xué)廢液，存在一定的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。正是由于在石墨烯制備上存在著明顯的缺陷，任何國(guó)家政府都沒有辦法支持它的產(chǎn)業(yè)化。因此，近年來，各國(guó)科學(xué)家又潛心尋找石墨烯制備的新方法。
海洋化工研究院高級(jí)工程師孫春龍7月6日對(duì)科技日?qǐng)?bào)記者說：“類似克里斯·索倫森的爆炸法制備石墨烯，國(guó)內(nèi)也有人研究過，但至今沒聽說過有成功量產(chǎn)的消息。”
市場(chǎng)需求雖大石墨烯卻難以量產(chǎn)
由于石墨烯的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，決定了石墨烯具有薄且堅(jiān)硬，透光度好，導(dǎo)熱性強(qiáng)，導(dǎo)電率高，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，電子遷移速度快等特性，市場(chǎng)應(yīng)用前景廣闊，近10年來，石墨烯概念在全球受到廣泛追捧，國(guó)內(nèi)對(duì)石墨烯的研發(fā)與應(yīng)用熱度，也是“水漲船高”，持續(xù)不減。
盡管市場(chǎng)需求大，但石墨烯卻始終難以量產(chǎn)。“關(guān)鍵在于必須解決一些重要的技術(shù)難題。”唐煌告訴記者，目前，石墨烯在產(chǎn)業(yè)界還缺乏統(tǒng)一的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。而技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)也成為制約石墨烯產(chǎn)業(yè)化的巨大絆腳石，石墨烯的產(chǎn)業(yè)化依舊任重道遠(yuǎn)。
單層與多層有何不同之處?唐煌解釋，石墨烯根據(jù)其層數(shù)一般可以分成單層石墨烯、雙層石墨烯、少層石墨烯和多層石墨烯。其中，單層石墨烯是嚴(yán)格意義上的石墨烯，少層石墨烯由3—10層構(gòu)成。當(dāng)層數(shù)大于10層，一般稱為多層石墨烯。因?yàn)槭┑膬?yōu)異性能會(huì)隨著層數(shù)的增加顯著下降，業(yè)界認(rèn)為，超過10層便不具備石墨烯材料的優(yōu)異性能。
7月6日，多年從事研發(fā)的中國(guó)碳谷科技集團(tuán)首席專家戴加龍?jiān)诮邮芸萍既請(qǐng)?bào)記者采訪時(shí)表示：“應(yīng)該說，在國(guó)際石墨烯制備技術(shù)上，我國(guó)處于國(guó)際同步的水平。除了常用的氧化還原法和液相剝離法外，我們碳谷科技采取產(chǎn)學(xué)研聯(lián)合攻關(guān)，使用優(yōu)質(zhì)大鱗片石墨為原料，通過微機(jī)械剝離方式制得少層石墨烯，其主要優(yōu)點(diǎn)是徑厚比大、生產(chǎn)過程無污染、保留了二維材料優(yōu)秀的機(jī)械性能和電學(xué)性能。”
用中科院院士、北京大學(xué)納米科學(xué)與技術(shù)研究中心主任劉忠范的話來說，“碳谷科技獨(dú)特的分段式微機(jī)械剝分工藝，在當(dāng)前國(guó)際石墨烯產(chǎn)業(yè)面臨多種制約和瓶頸之下，開創(chuàng)了一條新的發(fā)展路徑，為石墨烯產(chǎn)業(yè)的大規(guī)模應(yīng)用，起到了很好的引領(lǐng)作用。”
基礎(chǔ)研究尚欠火候應(yīng)用推廣卻已火熱
孫春龍告訴記者，最近，關(guān)于石墨烯的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，在重防腐涂料、石墨烯散熱薄膜、石墨烯基電池等方面，取得了一定進(jìn)展。但事實(shí)上，這些應(yīng)用對(duì)石墨烯質(zhì)量要求不是太高，部分領(lǐng)域產(chǎn)品雖然實(shí)現(xiàn)商品化，性能并沒有體現(xiàn)出驚人的效果。即使在新能源領(lǐng)域，有些石墨烯導(dǎo)電劑的產(chǎn)品性能還不能與碳納米管相比，這本身與石墨烯的層數(shù)有關(guān)，表明石墨烯技術(shù)還不成熟，石墨烯只能替代部分的傳統(tǒng)材料。
用戴加龍的話來說，石墨烯制備技術(shù)的關(guān)注程度不如前幾年，很多企業(yè)注意力都集中在石墨烯的應(yīng)用上，認(rèn)為石墨烯制備技術(shù)已經(jīng)成熟，但得到的石墨烯應(yīng)用產(chǎn)品效果卻差強(qiáng)人意。就國(guó)內(nèi)石墨烯現(xiàn)狀來看，整個(gè)產(chǎn)業(yè)仍處于發(fā)展初級(jí)階段，并未進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化。
記者了解到，到目前，國(guó)際上還沒有單層石墨烯量產(chǎn)。石墨資源在我國(guó)儲(chǔ)量豐富，產(chǎn)量占了世界70%左右，但一些地方把石墨烯與石墨資源混為一談，只要當(dāng)?shù)匕l(fā)現(xiàn)了石墨資源，就打出石墨烯的概念，而且各地依托石墨資源規(guī)劃的石墨烯產(chǎn)業(yè)園千篇一律，同質(zhì)化非常嚴(yán)重。
近年來，國(guó)內(nèi)的一些科研單位與材料領(lǐng)域的生產(chǎn)企業(yè)，在概念依然模糊，缺乏開發(fā)能力的情況下，就投入大量的資金，盲目直奔石墨烯而去，致使石墨烯研究院、石墨烯產(chǎn)業(yè)基地、石墨烯新材料園區(qū)遍地開花。更讓專家們擔(dān)憂的是，石墨烯關(guān)鍵核心技術(shù)還沒有解決，真正意義上的石墨烯產(chǎn)品還沒出來，一些研發(fā)與生產(chǎn)單位，就開始到處游說開發(fā)成功。現(xiàn)在，已開始從“研發(fā)熱”轉(zhuǎn)向“應(yīng)用熱”，各式各樣的應(yīng)用推廣會(huì)議，更是鋪天蓋地。
從概念走向應(yīng)用促使產(chǎn)業(yè)化健康發(fā)展
目前，國(guó)內(nèi)石墨烯從業(yè)企業(yè)，絕大多數(shù)是中小型企業(yè)，年銷售額多數(shù)僅在百萬元左右，且缺乏產(chǎn)品開發(fā)能力。因此，一些對(duì)外宣稱具備百噸年產(chǎn)能的生產(chǎn)企業(yè)，其產(chǎn)值和盈利能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有達(dá)到預(yù)期，多數(shù)企業(yè)處于虧損狀態(tài)。
北京墨烯科技發(fā)展有限公司副總經(jīng)理鄒傳泉說：“當(dāng)前國(guó)內(nèi)石墨烯‘虛火’過旺。如果關(guān)鍵技術(shù)不解決，停留在低水平，5到8年內(nèi)，就會(huì)有大批企業(yè)倒下。”
戴加龍認(rèn)為，在這場(chǎng)石墨烯的熱潮中，一些地方與企業(yè)走上了另一個(gè)極端，把石墨烯視為拉動(dòng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的“神丹妙藥”，到了非理性的“狂熱”地步，嚴(yán)重影響著石墨烯產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展。
如何消除過旺的“虛火”?專家提出，決不能把目光都死盯在石墨烯這個(gè)“獨(dú)木橋”上，實(shí)際上，利用石墨資源可開發(fā)的產(chǎn)品很多，地方政府和企業(yè)應(yīng)因地制宜，圍繞市場(chǎng)開發(fā)多品種、高值化的產(chǎn)品。
孫春龍告訴記者，中國(guó)擁有廣闊的防腐涂料市場(chǎng)，其中海洋重防腐涂料需求日益增加。隨著國(guó)內(nèi)多家科研單位和企業(yè)投入研發(fā)的石墨烯基重防腐涂料的集中問世，不但對(duì)防腐涂料領(lǐng)域的發(fā)展具有重要的意義，也是一個(gè)促使石墨烯走向產(chǎn)業(yè)化的突破口，將有力推動(dòng)石墨烯從概念到應(yīng)用的發(fā)展。
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