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国内外石墨烯产业发展现状研究
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摘要:1 石墨烯的战略意义 石墨烯被称为“黑金”、“新材料之王”。是世界上已知的强度最高、韧性最好、重量最轻、透光率最高、最好的纳米导电材料,集透光性好、导热系数高、电子迁
1 石墨烯的战略意义
石墨烯被称为“黑金”、“新材料之王”。是世界上已知的强度最高、韧性最好、重量最轻、透光率最高、最好的纳米导电材料,集透光性好、导热系数高、电子迁移率高、电阻率低、机械强度高等多种优异性能于一身,因其优异的性能在电子学、光学、磁学、生物医学、催化、储能和传感器等诸多领域,应用广泛,将带来科技产业的革命性变革,是主导第四次工业革命的超级材料之一,石墨烯已经成为各国争相占领的产业发展制高点。
2 石墨烯的制备获得与应用
石墨烯是一种由碳原子以 sp2杂化方式形成的蜂窝状平面薄膜,是一种只有一个原子层厚度的准二维材料,所以又叫做单原子层石墨。2004年,英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·盖姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫,用微机械剥离法成功从石墨中分离出石墨烯,首次证明单层石墨烯的稳定存在,该方法制备石墨烯的晶体结构比较完整,物理性能相对优良,并获得2010年诺贝尔物理学奖。但是此种方法制备的石墨烯产量低、人力耗费大,且由于强大的范德华力很容易团聚,另此法制备的石墨烯表面没有亲水基,使其在各个领域的应用受限。
石墨烯的制备方法还有溶剂剥离法、气相沉积法(CVD)、碳化硅外延生长法、氧化石墨烯还原法以及相应改良方法等。溶剂剥离法、气相沉积法(CVD)、碳化硅外延生长法同样存在产量低的问题。其中,溶剂剥离法的溶剂选择具有局限性,使得制备过程受限;CVD法工艺复杂,致可重复性差;碳化硅外延生长法制备工艺要求高,不容易得到均匀的石墨烯膜层。目前,石墨烯的主要方法是氧化石墨烯还原法,即先将天然石墨氧化,添加氧化剂得到氧化石墨烯,再通过一定手段将氧化石墨烯还原,从而得到石墨烯。此类方法的成本较低,石墨烯表面亲水基使其应用范围广,但此法制备出来的为多层石墨烯或石墨微晶,非严格意义上的石墨烯,在性能上大打折扣,且制备过程所产废液对环境污染较大。
现阶段,利用石墨烯制备的产品有石墨烯传感器、石墨烯超级电容器、石墨烯触屏、石墨烯半导体和电子元件、石墨烯轮胎、塑料,石墨烯光电子元件、石墨烯显示器,石墨烯薄膜、石墨烯散热材料等等。其中,石墨烯薄膜、石墨烯电池正走向产业化。
3 抢占石墨烯产业发展制高点
石墨烯正处于突破转化产品的技术瓶颈关键期,各国政府不断加大石墨烯研发的支持力度,希望能在石墨烯研究和产业化发展中抢占先机。目前,全球已有近百个国家投入石墨烯的研发、生产。美国、欧盟及其成员国、日本和韩国较先开展相关的战略部署,走在了全球石墨烯研究与产业化的前列。
3.1 将石墨矿产定位为国家战略资源
石墨烯的主要原材料是石墨。据USGS统计,2013年全球石墨总储量约1.3亿吨矿物量。中国、印度、巴西、墨西哥的石墨储量合计占全球总储量的92.77%,具有占领石墨产业发展制高点的资源竞争力。乌干达等国家已经将石墨矿产定位为战略保护资源,并对开采方式和外资提出了严格的标准。
3.2 战略引导石墨烯基础研究
受制于技术瓶颈,目前市场上量产的“石墨烯”绝大部分是氧化石墨烯,掌握能够真正适用于大规模、绿色化、工业化生产的石墨烯制备工艺将成为各国核心竞争力,并且在第四次工业革命进程中占据先导权。美国通过国家基金项目早早布局石墨烯基础研究;日本经济产业省对石墨烯的批量合成进行重点支持;英国更是提出“让石墨烯在英国制造”的口号;韩国更以国家名义联合国内50多家研究机构和企业组成石墨烯联盟,加强石墨烯的前沿技术。
3.3 研发高端石墨烯产品
石墨烯由于其优异的性能,石墨烯已经被开发出许多产品,如石墨烯生物材料,石墨烯超级电容器,石墨烯传感器等等。但因为石墨烯转化为产品的技术瓶颈较多,石墨烯产品还未能全面进入人类生产和生活。目前石墨烯产品相对低端化,如利用墨烯粉末为原料加工的功能涂料、复合材料、电极材料和结构增强型材料。虽然部分已初步产业化,但规模小、技术含量不高、附加值较低。而以石墨烯薄膜为原料的高端产品,如微电子材料和显示屏薄膜材料等,或处于实验室阶段,或处于中试阶段。
3.4 建设石墨烯产业集聚区
欧洲和美国的石墨烯领域主要集中在大学为主的科研方面,还没有一些正式的产品甚至是形成产业集聚区。由于中国政府的大力支持,不仅高校科研工作深入开展,更或是很多公司研发产品,并形成产业集聚区。据2018(第四届)中国石墨烯终端应用技术大会报道显示,截至2017年6月,中国拥有石墨烯技术专利、从事相关制备、销售、应用、投资、检测、技术服务的企业数量达到2584家,其中拥有成形石墨烯业务的企业数量为580家,初步形成长三角、珠三角、京津冀、山东、闽皖、西南等石墨烯产业集聚区。其中,江苏2011年在全国率先建立首个基于石墨烯材料及应用的产业化基地,现已诞生5个全球第一,即全球第一款石墨烯手机电容触摸屏、全球第一条年产100吨石墨烯粉体生产线、全球第一家石墨烯研究机构——江南石墨烯研究院、全球第一条3万平方米CVD法石墨烯透明导电薄膜生产线、全球第一款蛋白质分离试剂。与此同时,石墨矿产开采方式落后,石墨利用率低,石墨烯生产工艺落后且盲目扩大产能,而石墨烯应用产品的附加值低、产品同质化严重,中国石墨烯研究和产业发展基本处于产业链和价值链的低端。
文章来源:《产业与科技论坛》 网址: http://www.cyykjltzz.cn/qikandaodu/2021/0224/1163.html
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