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“新材料之王——石墨烯”在中国

发布时间:2016/10/8 9:38:00

 2004年,两名英国科学家利用“胶带”从石墨表面“撕”出的单层物质,为他们赢得了诺奖桂冠。从此,石墨烯材料生产及应用就逐渐成为市场追逐的热点。而今,石墨烯更是晋升为“新材料之王”,是新材料领域中成为当之无愧的“黑金”。  

  据中国石墨烯产业联盟预计,目前全球石墨烯年产能达到百吨级,未来五年到十年将达到千吨级。到2020年,全球石墨烯市场规模将超1000亿元,其中中国占比50%~80%,中国将在全球石墨烯产业中起到主导和核心作用。但是,很多人不知道什么是石墨烯,石墨烯的前景真的有如此美好吗?

 

什么是石墨烯

  

  石墨烯是一种二维晶体,于人们常见的石墨是由一层层以蜂窝状有序排列的平面碳原子堆叠而形成的,石墨的层间作用力较弱,很容易互相剥离,形成薄薄的石墨片。当把石墨片剥成单层之后,这种只有一个碳原子厚度的单层就是石墨烯。

  

  石墨烯既是最薄的材料,也是最强韧的材料,断裂强度比最好的钢材还要高200倍。同时它又有很好的弹性,拉伸幅度能达到自身尺寸的20%。它是目前自然界最薄、强度最高的材料。科学家甚至预言石墨烯将"彻底改变21世纪"。极有可能掀起一场席卷全球的颠覆性新技术新产业革命。

 

石墨烯“火热”的应用

 

  集成电路:石墨烯具备作为优秀的集成电路电子器件的理想性质。问题是单层的石墨烯制造困难,更难作出适当的基板。

  

  透明导电电极:石墨烯良好的电导性能和透光性能,使它在透明电导电极方面有非常好的应用前景。触摸屏、液晶显示、有机光伏电池、有机发光二极管等,都需要良好的透明电导电极材料。

  

  导热材料或热界面材料:2011年,美国佐治亚理工学院学者首先报道了垂直排列官能化多层石墨烯三维立体结构在热界面材料中的应用及其超高等效热导率和超低界面热阻。

  

  超级电容器:由于石墨烯具有特高的表面面积对质量比例,石墨烯可以用于超级电容器的导电电极。科学家认为这种超级电容器的储存能量密度会大于现有的电容器。

  

  海水淡化:研究表明,石墨烯过滤器可能大幅度的胜过其他的海水淡化技术。

  

  太阳能电池:南加州大学维特比工程学院的实验室报告高度透明的石墨烯薄膜的化学气相沉积法在2008年的大规模生产。

  

  石墨烯生物器件:由于石墨烯的可修改化学功能、大接触面积、原子尺寸厚度、分子闸极结构等等特色,应用于细菌侦测与诊断器件,石墨烯是个很优良的选择。

  

  抗菌物质:中国科学院上海分院的科学家发现石墨烯氧化物对于抑制大肠杆菌的生长超级有效,而且不会伤害到人体细胞。假若石墨烯氧化物对其他细菌也具有抗菌性,则可能找到一系列新的应用,像自动除去气味的鞋子,或保存食品新鲜的包装。

  

  石墨烯感光元件:一群来自新加坡专精于石墨烯材质研究的科学家们,现在研发出将石墨烯应用于相机感光元件的最新技术,可望彻底颠覆未来的数位感光元件技术发展。

 

石墨烯在中国发展迅速

  

  中国是目前石墨烯研究和应用开发最为活跃的国家之一。数据显示,在所有国家中,中国申请的石墨烯专利数量最多,已超过2200项,占全世界的1/3.2013年工信部发布的《新材料产业“十二五”发展规划》中的前沿新材料中就包含石墨烯。国家自然科学基金委资助了大量有关石墨烯的基础研究项目,国家科技重大专项、国家973计划也部署了一批重大项目。各级政府对石墨烯表现出极大的兴趣,已经初步形成了政府、科研机构、研发和应用企业协同创新的官产学研合作对接机制。

  

  2011年10月,江苏常州成立了江南石墨烯研究院,为国内首个基于石墨烯材料及应用的产业化基地。而今,中国已经走在了石墨烯产业化的前列,国内石墨烯企业已超过百家,并在常州、无锡、青岛、深圳等地形成产业集群。产业方向集中在石墨烯的制备以及储能、触摸屏和涂层等几个应用领域。科学家也已经开发了一系列石墨烯基储能材料,如石墨烯基高密度多孔碳材料,为促进石墨烯的实际应用铺平了道路。

 

  笔者结语  

  

  我国的石墨烯应用专利集中在锂电、储能、复合材料等领域,布局相对较窄,且主体多为高等院校,研发和应用在一定程度上脱节。未来国内石墨烯产业化发展如何改变这种现状、形成完整成熟的产业链上下游、研制出性价比更高的产品等都是急需解决的难题。当前石墨烯确实很火热,也给我们带来的创新应用也很多。谁都不能否认石墨烯的强大之处,然而任何事物都是有两面性的,石墨烯可能会对淡水资源造成威胁的警告也不容忽视。

 

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