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石墨烯产业尚待冷静发力 高质量石墨烯仍稀缺  

2016-11-08 10:56:35|  分类: 生产工艺 |  标签: |举报 |字号 订阅

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6年前,石墨烯的发现者安德烈˙海姆和康斯坦丁˙诺沃肖洛夫获得了2010年诺贝尔物理学奖。自此,有着“黑金”和超级材料之称的石墨烯以绚丽的姿态在全世界掀起了研发热潮,尤其是在中国政府的高度重视下,国内的高校、科研院所、企业、资本都在积极探寻石墨烯背后的机会。

  石墨烯开启二维材料之窗

  在科技突飞猛进的今天,如果没有适宜的材料做支撑,科技难以转化为理想中的实际成果,更谈不上大规模应用。因而,科技与材料结合的矛盾,深深地困扰着我们。

  “我们渴望一种绚丽的超级材料,具有多种优异性能的石墨烯带给人们无限的遐想。”银基烯碳新材总裁范志明告诉《经济》记者。石墨烯是由一个碳原子与周围三个近邻碳原子结合形成蜂窝状结构的碳原子单层。2004年,英国曼彻斯特大学教授安德烈˙海姆和学生康斯坦丁˙诺沃肖洛夫合作,用透明胶带将石墨烯从石墨中剥离出来。正是它打破了二维材料在常温压下不稳定的“定论”。

  “过去我们研究的都是三维材料,石墨烯为人类打开了二维材料之窗”,这一点甚至比石墨烯本身更具价值,而它往往被忽略了,江南石墨烯研究院院长张朝晖在接受《经济》记者采访时表示。目前国外的科研团队在其他二维材料的研究上投入了很大的人力和物力。尽管国内也有科研团队在研究其他二维材料,但大部分精力主要集中在石墨烯的研究上。

  事实上,石墨烯热也催生了硫化钼、黑磷等二维材料的学术热,中科院山西煤化所石墨烯与新能源材料课题组长陈成猛告诉《经济》记者,目前石墨烯已进入产业化轨道,而其他二维材料大多仍停留在实验室阶段。

  据统计,我国石墨烯专利和论文位居全球首位,也反映出国内石墨烯的科研热。张朝晖认为,石墨烯的基础研究和应用研究并非易事,需要长期、系统性的研究。“目前国内发表的论文很多,深究起来却发现不少论文缺乏系统性。”有些科研人员可能疲于争取科研经费,需要不断地想出新点子,导致基础研究缺乏连贯性,犹如修了很多断头路,对产业界没有太大的促进作用。在科研热的背景下,张朝晖建议科研人员应踏踏实实地做研究,懂得放长线钓大鱼的道理。

  政策热推动了石墨烯产业

  国内科研热也折射出国家政策热。

  习近平总书记曾在两年内3次考察调研石墨烯,并在参观英国曼彻斯特大学国家石墨烯研究院时指出,“中国是石墨资源大国,也是石墨烯研究和应用开发最活跃的国家之一”。

  《中国制造2025》、《“纳米科技”十三五重点专项》、《国家创新驱动发展战略》等多次提到石墨烯。三部委出台的《关于加快石墨烯产业创新发展的若干意见》明确指出,到2020年,要形成完善的石墨烯产业体系。范志明告诉记者,国内石墨烯热主要是由国家政策推动的。中国是制造业大国、材料大国,同时也是石墨大国。提前对学术和产业进行布局,有可能让中国在石墨烯领域弯道超车,跨入世界前沿。“这是石墨烯被中国列为战略性新材料的原因之一。”

国家纳米科学中心研究员智林杰告诉《经济》记者,在发展石墨烯产业的同时,可以促进与石墨烯相关联的其他产业与技术的进步,具有以点带面的作用。我国虽是石墨大国,遗憾的是我国石墨产业的整体技术水平比较落后,至今尚未引起业界的高度重视。这可能对未来石墨烯的产业发展,尤其是高端石墨烯的产业发展产生负面影响,也可能导致中国在未来的石墨烯产业竞争中失去定价权。

  国内各省市也在逐渐重视发展石墨烯产业。江苏常州和山东青岛是石墨烯产业发展较早的两个城市,已成为两个国家级的石墨烯产业化基地。此外,浙江宁波、广东深圳等城市的起步也较早。目前,石墨烯产业的发展正在从沿海向内陆进行蔓延,四川、内蒙古、广西、宁夏等省区也在大力发展石墨烯产业。

  北京在石墨烯领域已经开展了一系列工作。其中北京市科委启动了《石墨烯科技创新专项(2016-2025)》,力争在石墨烯材料制备及应用等领域取得重大突破,抢占全球石墨烯科技制高点。此外,北京还在积极筹建北京石墨烯研究院。中关村丰台科技园正在建设石墨烯产业园。

  高质量石墨烯仍稀缺

  在石墨烯的实际应用上,制备技术是关键。当初无法大规模制备石墨烯的困扰已不复存在。

  石墨烯材料分为石墨烯粉体和石墨烯薄膜两种,目前已形成了较为成熟的制备体系,总体品质也在不断上升。然而,制备兼具高质量、低成本、过程绿色的石墨烯仍存在技术壁垒。陈成猛告诉记者,2012年之前,科研级粉体样品的成本每克高达上千元。目前采用氧化还原法制备的高品质石墨烯粉体的成本已降至10-50元/克。与过去相比,采用化学法制备石墨烯粉体的价格有了大幅的下降,若替代传统材料,在价格上仍缺乏竞争力。

  智林杰告诉记者,目前普遍采用的化学法制备石墨烯的工艺技术会产生废液及化学品,存在一定的环境风险。陈成猛表示,目前主要排放的污染物是废水,废气和废渣较少,可通过成熟的无害化方式进行处理。再者,石墨烯作为新材料,与传统的大化工相比,其生产规模小得多,废水排量也较小。

  总体而言,一般业界认为,超过10层便不具备石墨烯材料的优异特性。如何让石墨烯剥离得更薄?如何保障石墨烯产品纯度,尽量减少其中游离的金属、灰分及各种杂质,仍是两道技术难题。“目前已解决了石墨烯产量的问题,但制备高质量、品质一致性、低成本的石墨烯,未来仍有大量的工作要做。”

国家标准有助于产业正本清源

  陈成猛指出,市面上存在以石墨粉、膨胀石墨、炭黑来假冒石墨烯,或者炒概念的伪劣石墨烯的现象,甚至有些企业虚夸产能,导致石墨烯材料表面的产能过剩。“在产业发展初期,质量和效益应该放在首位,而不应好大喜功。”他认为,国家标准的制定将对石墨烯产业起到正本清源的作用,让虚假的石墨烯丧失立足之地。

  全国纳米技术标准化技术委员会纳米材料分会秘书长戴石锋在接受《经济》记者采访时表示,我国自2014年9月起,正式开启石墨烯相关国家标准的制定工作,其中包括倍受行业广泛关注的《石墨烯材料的术语、定义及代号》国家标准的制定。经过近两年国内专家、学者的集体努力,目前石墨烯术语标准已于今年9月正式通过了委员会审查,正进入最后的报批阶段。石墨烯术语国家标准有望在2016年年底发布。

  “石墨烯术语国家标准,作为国内首个石墨烯国家标准,我们在科学、严谨、普适的基础上提出石墨烯相关系列术语和定义,希望能够得到学术界、产业界的共同认可,力争使中外专家对这些概念的理解一致,为产业和学术交流、贸易提供统一的科技术语。”戴石锋如是说。

  事实上,未来石墨烯国家标准的正式问世,不仅有助于用户和非专业人士识别真正的石墨烯,更有利于石墨烯产业的健康发展。

  石墨烯不再是“万金油”

  石墨烯被誉为新材料产业皇冠上的明珠,因为它集多种辩证的优异性能于一身。范志明指出,它既具有超高的强度,又具备良好的柔性。石墨烯是所测量的材料中强度最高的材料,比钢铁坚硬200倍。但它像布料一样柔软,可以进行弯曲,扭转成为不同的外形。石墨烯既可以作为导体材料,又可以作为半导体材料。它是已知物体中室温导电率最高的材料,比最好的导体金属如金或铜高出几个数量级。同时,石墨烯还可以通过掺杂,在一定程度上打开带隙,有望成为取代硅的下一代半导体材料。此外,石墨烯既可以制备成透明的材料,又可以制备成不透明的材料。单层石墨烯的透光性达到了97.7%,而随着层数的增加,多层石墨烯则为黑色。

  正是基于上述优点,石墨烯也被喻为“万能材料”,人们希望它能适用于各个领域,也催生了“石墨烯+”的概念,如“石墨烯+塑料”、“石墨烯+电池”等。陈成猛指出,当前科研界和产业界形成了一些共识,即石墨烯并非“万金油”,而是在特定的适用领域才能够更好地发挥它的特性。石墨烯正在向新能源、军事国防、健康医疗等不同的应用领域渗透,但尚未出现真正成熟的商品。“在超级电容器、导电油墨、防腐涂料和功能塑料等传统领域,石墨烯的价值正逐步显现并开始获得市场的认可,比其在微电子芯片等高端领域可能会走得更快。”

  智林杰认为,石墨烯薄膜在国内的规模化生产与应用技术在稳步前进,但在目前阶段,其性价比仍然难以与市场上已有产品形成有效的竞争。不过在石墨烯薄膜的柔性应用领域已经逐渐在出现一些值得肯定的应用产品,如石墨烯柔性触摸屏等。在加热、散热应用领域,石墨烯存在与现有市场产品没有明显竞争优势的问题。不过在某些应用领域,如石墨烯用于纺织品保温保健功能等产品,逐渐表现出一定的市场价值。

石墨烯产业仍处于概念期

  张朝晖告诉记者,从技术成熟度曲线角度来看,石墨烯还处于向顶峰爬坡阶段。因而大家更看重石墨烯这3个字的价值。待越过顶峰后,如何真正解决用户的需求才逐渐受到重视。

  从互联网技术的发展规律来看,2009-2010年互联网概念达到顶峰,而当时互联网的速度非常慢。“当某项技术在概念期时,其产品并不好用,企业和产业也没有大规模地成熟起来,只是人们对它的预期很大”,范志明认为,目前石墨烯产业仍然处于产业生命周期的概念期阶段。

  从石墨烯产业的发展规律来看,未来石墨烯产业将经历先热后冷到再热的过程。当石墨烯产业的泡沫被刺破后,整个行业会冷下来,也会死掉一批企业。此后一批精英人才将进行新一轮的有效聚集,催生下一轮的产业热。在当前阶段,范志明建议从业者应看清产业的发展规律,切忌头脑发热,规模铺得过大或步子迈得太急都可能成为“先烈”。

  光明的前途,曲折的道路

  在2016中国国际石墨烯创新大会上,展览了品类繁多的石墨烯应用产品,如理疗护腰、服装、散热器、充电宝、轮胎等。陈成猛指出,目前对于石墨烯的应用仍是改进型产品。石墨烯的潜力和不可替代性并没有充分发挥出来,真正杀手级、具有颠覆性的产品仍未出现。

  智林杰认为,当前各类石墨烯产品能否真正成为符合市场规律的商品,还需要时间的检验。在具有良好性价比优势的前提下,在应用产品的质量管理、品质控制、性能持久等方面都需要进一步加强研究。他建议,石墨烯的应用开发应从上游到下游与从下游到上游同时进行,从而更好地实现石墨烯材料与终端产品的无缝对接。

  如何让石墨烯的科学研究和产业发展更紧密地结合?张朝晖希望有更多的投资人和企业了解石墨烯,有动力地去关注石墨烯产业。只有以企业为主体,才能让科学研究成果最后逐步运用到产业中。“不能指望大学教授或科研院所的研究人员天天去创业”,最终要依靠企业的原动力,科研成果才有更多的机会走向产业界。

  诺贝尔物理奖让更多的人认识了石墨烯,它从2004年被发现一路走来12余年,期间已取得了不少成绩。当年的碳纤维材料从被发现到科研实验,从航天航空领域走向千家万户,成就一个商业传奇,经历了三四十年的时间。因而,对于石墨烯材料而言,它还很年轻,需要耐心地呵护与鞭策。

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