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  • 科普|石墨烯产业的现状及发展前景
  • 发布日期:2021-07-19 12:12:24     点击量:215
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  • 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,成功地在实验中从石墨中分离出石墨烯,而证实它可以单独存在,两人也因“在二维石墨烯材料的开创性实验”为由,共同获得2010年诺贝尔物理学奖。以此作为标志,关于石墨烯的制备、表征和应用的大规模研究拉开了序幕。

    石墨烯(Graphene)是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成的六角型类蜂巢晶格的平面薄膜、只有一个碳原子厚度的二维材料。按照国家标准GB/T30544.13-2018的定义,可分为单层石墨烯、二层石墨烯、三层石墨烯、少层石墨烯等,超过10层的则被定义为纳米石墨片。显然,实际的石墨烯材料有多种不同的存在形态,这也是不同类型的石墨烯性能有较大差异的原因。

    经过大量的深入研究,石墨烯相关制备技术取得了快速的发展,如液相解离法、气相沉积法、碳纳米管裁切、热分解合成等。其中液相解离法和气相沉积法的快速发展为规模化制备石墨烯提供了较强的可能性。液相解离法是一种“自上而下”的制备思路,将三维结构的石墨逐步解离成二维结构的石墨烯。通过该方法得到的石墨烯粉体晶型结构更完整,工艺操作过程更简化。而气相沉积法采用“自下而上”的制备思路,在高温条件下将含碳材料分解,并通过原子级别的碳簇重组构建二维结构的石墨烯。利用该方法在取得较高石墨烯产能的同时还能够得到大面积的石墨烯薄膜材料。石墨烯制备技术的快速发展为石墨烯材料的规模化应用奠定了良好的基础。

    由于石墨烯独特的结构特点,表现出极为突出的力学性能、光学性能,极高的导电、导热性能和较高的比表面积等。在新能源、电子、机械、医疗等多个领域具有重要的潜在应用价值。目前,石墨烯材料已经出现了多个规模化的市场应用,如作为新能源电池中的新型碳纳米导电材料,可提高电池动力性能,降低电极中导电材料的使用量等;又如石墨烯导热膜以其高导热性能已经用于5G手机为代表的高端电子产品中,成为石墨烯材料的又一个规模化市场应用。在石墨烯的应用中,应当引起人们重视的是,一般不是将石墨烯视为具有最高性能的独立材料;而应将其视为具有独特能力的纳米材料添加剂,该添加剂能够显着增强其他材料的性能。除上述应用外,报道的研究或应用范围涉及40多个领域/方向。

    正是由于石墨烯材料优异的性能和应用潜力,世界各国都给与的了极大的重视。美国、欧盟、韩国、日本和伊朗等国都提出了各自的发展规划,发表了大量研究报告,布局了大量相关专利。中国政府对石墨烯产业的发展同样非常重视,早在2015年,工信部、发改委、科技部联合印发《关于加快石墨烯产业创新发展的若干意见》,提出抓住机遇培育壮大石墨烯产业,把石墨烯产业打造成先导产业。此后,《十三五国家科技创新规划》、《国家创新驱动发展战略纲要》、《重点新材料首批次应用示范指导目录》等国家和地方政策的相继出台为石墨烯产业的进一步发展提供了充足的动力。

    尽管石墨烯材料具有很多美好的应用前景,但要实现更多的其规模化、高质化应用还需要突破一些关键技术瓶颈。这需要进行扎扎实实的研究,需要市场的驱动。近年来,社会上出现了利用人们对石墨烯用于的企盼,以石墨烯的名义进行的一些商业操作,对石墨烯产业是一种“污名化”,不利于石墨烯产业的发展。实际上,与石墨烯相关的研究报告和专利还在快速增长,投入石墨烯产品研发的企业也越来越多,这正是人们对于石墨烯未来的应用有信心的表现。相信随着国家及地方的大力支持、随着研究的不断深入,更多的石墨烯相关成果会不断涌出,石墨烯产业必将走入快速发展的道路,从而把人类带入新的“碳时代”。


    (来源:新乡市科学技术局资源管理与基础研究科 收集整理)

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