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石墨烯產業健康成長還要“敗虛火

2017-7-20 10:46:37

日前，有媒體報道美國堪薩斯州立大學的物理學家可能找到了廉價量產石墨烯的方法，通過這種方法生產石墨烯只需三個簡單步驟和使用三種簡單材料。發明這種方法的克里斯·索倫森申請并獲得了專利。這一消息，引起了我國科研人員的高度關注與熱烈議論。
被稱為“黑金”的石墨烯有哪些特性?我國石墨烯研發與應用又處于何種狀態?
環境風險面前尋找石墨烯制備新方法
科學家預言石墨烯將“徹底改變21世紀”，有可能掀起一場席卷全球的顛覆性新技術新產業革命。為此，近10年來全球從事這個領域研究的科學家們，都力求在石墨烯的制備技術上盡快突破，期望能早日實現量產，搶占國際市場制高點。
石墨是層狀結構，層與層之間以范德華力相互作用，作用力較弱，很容易剝落。2004年，英國曼徹斯特大學的研究者利用膠帶反復刮擦石墨片，直至獲得單層的石墨，也就是石墨烯。江蘇理工學院副教授唐煌7月4日接受科技日報記者采訪時說：“這種二維碳材料表現出優異的物理及化學性質，成為材料學、物理學、化學等領域的研究熱點。”
唐煌介紹，石墨烯的制備方法很多，科研上主要有微機械剝離法，化學氣相沉積法，外延生長法，氧化還原法(Hummers法)等，除了Hummers法，其他方法制備的石墨烯質量較高，是石墨烯研究中不可或缺的方法。但是無法產業化量產，只能局限于實驗室的科學研究。
目前，產業上Hummers法用得較多，但該方法得到的石墨烯不完美，結構上有很多缺陷，同時該方法產生大量化學廢液，存在一定的環境風險。正是由于在石墨烯制備上存在著明顯的缺陷，任何國家政府都沒有辦法支持它的產業化。因此，近年來，各國科學家又潛心尋找石墨烯制備的新方法。
海洋化工研究院高級工程師孫春龍7月6日對科技日報記者說：“類似克里斯·索倫森的爆炸法制備石墨烯，國內也有人研究過，但至今沒聽說過有成功量產的消息。”
市場需求雖大石墨烯卻難以量產
由于石墨烯的結構特點，決定了石墨烯具有薄且堅硬，透光度好，導熱性強，導電率高，結構穩定，電子遷移速度快等特性，市場應用前景廣闊，近10年來，石墨烯概念在全球受到廣泛追捧，國內對石墨烯的研發與應用熱度，也是“水漲船高”，持續不減。
盡管市場需求大，但石墨烯卻始終難以量產。“關鍵在于必須解決一些重要的技術難題。”唐煌告訴記者，目前，石墨烯在產業界還缺乏統一的質量標準。而技術和標準也成為制約石墨烯產業化的巨大絆腳石，石墨烯的產業化依舊任重道遠。
單層與多層有何不同之處?唐煌解釋，石墨烯根據其層數一般可以分成單層石墨烯、雙層石墨烯、少層石墨烯和多層石墨烯。其中，單層石墨烯是嚴格意義上的石墨烯，少層石墨烯由3—10層構成。當層數大于10層，一般稱為多層石墨烯。因為石墨烯的優異性能會隨著層數的增加顯著下降，業界認為，超過10層便不具備石墨烯材料的優異性能。
7月6日，多年從事研發的中國碳谷科技集團首席專家戴加龍在接受科技日報記者采訪時表示：“應該說，在國際石墨烯制備技術上，我國處于國際同步的水平。除了常用的氧化還原法和液相剝離法外，我們碳谷科技采取產學研聯合攻關，使用優質大鱗片石墨為原料，通過微機械剝離方式制得少層石墨烯，其主要優點是徑厚比大、生產過程無污染、保留了二維材料優秀的機械性能和電學性能。”
用中科院院士、北京大學納米科學與技術研究中心主任劉忠范的話來說，“碳谷科技獨特的分段式微機械剝分工藝，在當前國際石墨烯產業面臨多種制約和瓶頸之下，開創了一條新的發展路徑，為石墨烯產業的大規模應用，起到了很好的引領作用。”
基礎研究尚欠火候應用推廣卻已火熱
孫春龍告訴記者，最近，關于石墨烯的產業化應用，在重防腐涂料、石墨烯散熱薄膜、石墨烯基電池等方面，取得了一定進展。但事實上，這些應用對石墨烯質量要求不是太高，部分領域產品雖然實現商品化，性能并沒有體現出驚人的效果。即使在新能源領域，有些石墨烯導電劑的產品性能還不能與碳納米管相比，這本身與石墨烯的層數有關，表明石墨烯技術還不成熟，石墨烯只能替代部分的傳統材料。
用戴加龍的話來說，石墨烯制備技術的關注程度不如前幾年，很多企業注意力都集中在石墨烯的應用上，認為石墨烯制備技術已經成熟，但得到的石墨烯應用產品效果卻差強人意。就國內石墨烯現狀來看，整個產業仍處于發展初級階段，并未進入產業化。
記者了解到，到目前，國際上還沒有單層石墨烯量產。石墨資源在我國儲量豐富，產量占了世界70%左右，但一些地方把石墨烯與石墨資源混為一談，只要當地發現了石墨資源，就打出石墨烯的概念，而且各地依托石墨資源規劃的石墨烯產業園千篇一律，同質化非常嚴重。
近年來，國內的一些科研單位與材料領域的生產企業，在概念依然模糊，缺乏開發能力的情況下，就投入大量的資金，盲目直奔石墨烯而去，致使石墨烯研究院、石墨烯產業基地、石墨烯新材料園區遍地開花。更讓專家們擔憂的是，石墨烯關鍵核心技術還沒有解決，真正意義上的石墨烯產品還沒出來，一些研發與生產單位，就開始到處游說開發成功。現在，已開始從“研發熱”轉向“應用熱”，各式各樣的應用推廣會議，更是鋪天蓋地。
從概念走向應用促使產業化健康發展
目前，國內石墨烯從業企業，絕大多數是中小型企業，年銷售額多數僅在百萬元左右，且缺乏產品開發能力。因此，一些對外宣稱具備百噸年產能的生產企業，其產值和盈利能力遠遠沒有達到預期，多數企業處于虧損狀態。
北京墨烯科技發展有限公司副總經理鄒傳泉說：“當前國內石墨烯‘虛火’過旺。如果關鍵技術不解決，停留在低水平，5到8年內，就會有大批企業倒下。”
戴加龍認為，在這場石墨烯的熱潮中，一些地方與企業走上了另一個極端，把石墨烯視為拉動經濟發展的“神丹妙藥”，到了非理性的“狂熱”地步，嚴重影響著石墨烯產業的健康發展。
如何消除過旺的“虛火”?專家提出，決不能把目光都死盯在石墨烯這個“獨木橋”上，實際上，利用石墨資源可開發的產品很多，地方政府和企業應因地制宜，圍繞市場開發多品種、高值化的產品。
孫春龍告訴記者，中國擁有廣闊的防腐涂料市場，其中海洋重防腐涂料需求日益增加。隨著國內多家科研單位和企業投入研發的石墨烯基重防腐涂料的集中問世，不但對防腐涂料領域的發展具有重要的意義，也是一個促使石墨烯走向產業化的突破口，將有力推動石墨烯從概念到應用的發展。

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