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青岛市石墨烯技术与产业发展研究 及对策建议
发布时间:2017-03-13   浏览次数:11215 次  字号:   双击自动滚屏

编者按:石墨烯具有特殊的纳米的结构和优异的物理化学性能,在电子、航天军工、新能源、新材料等领域将创造出一系列颠覆性的技术,是新一轮科技革命和产业升级的重要标志,受到各国政府、学术界和金融资本的广泛关注。目前,全球石墨烯产业尚未形成产业规模,仍处于专利布局阶段。截止2014年,我国石墨烯相关论文和专利量均居世界首位,是我国在新一轮科技革命中赶超世界先进水平的突破点之一。青岛市正在大力推动石墨烯技术和产业发展,已拥有较强的石墨烯研发实力,也具备了一定的产业基础。

为推动我市石墨烯技术和产业发展,青岛市科技局和市科学技术信息研究所(市科学技术发展战略研究所)从国家政策、科学计划、技术发展、专利产出及产业应用等方面对国内外石墨烯技术和产业发展现状、趋势及存在的问题进行了分析研究,对我市石墨烯技术和产业发展现状进行了调研,并结合实际提出了相关对策建议,供各级领导和相关部门参考。

 

关键词:石墨烯;技术创新;产业发展;对策建议


青岛市石墨烯技术与产业发展研究

及对策建议

 

石墨烯是由碳原子构成的单层片状结构材料,具有特殊的纳米的结构和优异的物理化学性能,被誉为“万能材料”,在电子、航空航天、新能源、新材料等领域具有广阔的应用前景,受到各国政府、学术界和金融资本的广泛关注。

、石墨烯简介

石墨烯是人类可以利用的第一种二维原子晶体,其材料参数如机械刚度、强度、导电导热性等都相当优异,未来石墨烯有可能取代现有的许多材料,并创造出一系列颠覆性的技术。

(一)基本性质

石墨烯是构建其它维度碳材料的基本单元,也是各类碳材料优秀品质的集大成者,其折叠可成为零维的富勒烯,卷曲可形成一维的碳纳米管,堆积在一起则成三维的石墨。作为目前发现的唯一存在的二维自由态原子晶体,石墨烯几乎集合了世界上众多材料的优秀品质:最薄最轻、载流子迁移率最高、电流密度耐性最大、强度最大最坚硬、韧性最好、透光率最高、导电性能最佳等。石墨烯厚度仅为0.335nm,具有超大的理论比表面积(2630m2/g),强度通常为普通钢材料的百倍;石墨烯中传导电子是无质量的狄拉克费米子,电子在其中运动时几乎没有阻力;其导热性能优于碳纳米管和金刚石,且几乎完全透明,单层透光率达到97.7%。同时,石墨烯还具有完美的量子隧道效应、半整数的量子霍尔效应等一系列优异的性质。

(二)主要制备工艺

实验室中制取高品质石墨烯的工艺并不复杂,这促进了石墨烯研究的广泛开展。然而,低成本、高品质石墨烯的大规模生产却存在较大困难,这成为制约石墨烯工业应用的主要因素之一。目前,已开发出了从简易低成本制造到高品质大面积量产的多种制备工艺及生产设备,包括机械剥离、氧化还原法、化学气象沉积(CVD)、外延生长、有机合成、液相剥离等。各种工艺各有优缺点,需要根据不同的需求进行选择。

石墨烯制备技术比较

制备技术

主要工艺

特点

机械剥离法

最早的石墨烯分离方法,通过反复在石墨上粘贴并揭下粘合胶带来制备石墨烯

可获得高品质石墨烯片,成本低、操作简单,缺点是片的大小及层数难以控制、不适合量产,主要用于石墨烯物理性质和器件研究的材料制备

溶剂剥离法

利用超声波的作用破坏溶液中石墨的层间的范德华力,层层剥离,制备出石墨烯

不会像氧化-还原法那样破坏石墨烯的结构,没有在石墨烯的表面引入任何缺陷,可以制备高质量的石墨烯,缺点是产率很低

氧化还原法

利用强质子酸形成石墨层间化合物,并用强氧化剂进行氧化还原

方法简单,温度较低,但难以充分还原,导电性和透明性无法保证,主要用于大面积透明导电膜和涂布工艺的TFT制作

SiC晶体外延生长法

 

利用硅的高蒸汽压,在高温和超高真空条件下使硅原子挥发,剩余的碳原子通过结构重排在SiC表面形成石墨烯层

所得石墨烯质量较高,缺点是制备条件苛刻,需要较高的真空度,成本较高,效率较低,石墨烯薄片转移困难

化学气相沉积法

以铜箔、镍膜等平面型金属为生长基,利用甲烷等含碳化合物作碳源,通过其在基体表面的高温分解来生长石墨烯

工艺简单,所得石墨烯质量高,可实现大面积生长,且较易转移到各种基体上,缺点是成本高,不适合量产,目前广泛用于纳米电子器件和透明导电薄膜研究

有机合成法

自下而上组装合成石墨烯,用具有精确结构的小分子经精确控制的化学反应,得到具有明确结构的石墨烯及其宏观体

可实现石墨烯在分子尺度的结构操控,可加工性强,但所得石墨烯的横向尺寸较小、产率较低。目前已经合成出石墨烯带、纳米石墨烯片、宏观石墨烯及其衍生的富碳材料等

(三)应用领域

通过文献和专利分析发现,石墨烯研究热点有锂离子电池、太阳能电池、薄膜晶体管、传感器、半导体器件、复合材料、透明显示触摸屏、透明电极等。另外,在海水淡化、半透膜、催化剂载体、防静电装置等方向,石墨烯也有广泛的应用。

1. 新材料领域

石墨烯独特的物理、化学和机械性能,可作为有机和无机材料基体的功能化添加剂,能够显著提高复合材料的电化学、热力学和机械性能等多种性能及其加工性能,在导电高分子材料、电极材料、航空材料、催化剂载体、抗静电薄膜、多功能复合材料、高强度多孔陶瓷材料等复合材料的制备和改性方面有着广泛的应用。

2. 电子技术领域

作为未来有可能取代硅的材料,石墨烯基电子器件已经出现在新型晶体管、高速计算机芯片、存储器和其它电子器件的原型样品中。石墨烯的透明导电性和柔韧性其它材料无法比拟,适合用作透明电极,用于柔性触摸屏、LCD、OLED、太阳能电池等领域,被认为是最有潜力替代氧化铟锡的材料。

3. 储能技术领域

石墨烯拥有大的比表面积、规范的多孔结构、高的电导率和热稳定性,是很好的电极材料和储氢材料,可广泛的应用于超级电容、锂离子电池和燃料电池等储能电池中。用石墨烯制备锂离子电池,可以在增加电极储能的同时,减少锂离子的扩散距离,有效提高锂电池的充放电效率和循环稳定性。单层石墨烯的氢气吸附量可达7.7wt%,能够满足美国能源部(MOE)对汽车所需氢能的要求(6wt%)。

4. 传感器和生物医学领域

石墨烯因其独特的二维结构能提升传感器的各项性能,用于气体、生物小分子、酶和DNA电化学传感器的制作。另外,石墨烯及其衍生物具有水溶性好、比表面积大等特点,可用于纳米药物运输系统、生物检测、生物成像、肿瘤治疗等生物医学领域。

二、国内外石墨烯技术与产业发展现状和趋势

近年来,全球石墨烯技术和应用研究取得了许多突破性进展。但目前,石墨烯产业发展仍处于专利布局阶段,尚未形成产业规模。

(一)国际石墨烯技术与产业现状

石墨烯技术研发具有明显的前瞻性和先导性特征,产业应用潜力巨大,促使政府成为推动石墨烯发展的重要动力。

1. 美国

2006年以来,美国国家自然科学基金会(NSF)和美国国防部高技研究计划署等机构支持了大量石墨烯研究项目,包括石墨烯复合材料、石墨烯电子器件、超级电容、场效应晶体管、传感器以及石墨烯的连续制造等项目。已在磁性石墨烯纳米复合材料、石墨烯热传导技术、石墨烯电极和石墨烯电子器件等领域,取得重大的成果。

2. 欧盟各国

2013年,欧盟确定石墨烯为“未来新兴旗舰技术项目(FET)”,组织23个国家的142个研究机构和企业开展合作,计划10年内投入经费10亿欧元,成为欧盟有史以来最大的研究资助类项目。德国科学基金会于2009年启动石墨烯新型前沿研究项目,以提高对石墨烯性能的理解和操控,研制新型石墨烯基电子器件。2011-2012年,英国政府计划投入7150万英镑支持石墨烯研发和商业化应用研究。此外,法国、意大利和西班牙等国对石墨烯研究也给予了极大关注。

(未完)