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      石墨烯需在制備與應用領域持續突破

      發布時間:2023-12-26 16:28:00來源: 科技日報

        【前沿材料觀察③】

        ◎本報記者 崔 爽

        在日前舉辦的第二十五屆中國國際高新技術成果交易會上,全球首個產業化應用的二維石墨烯材料亮相。石墨烯被認為是“會改變世界的材料”。它是目前世界上已知最薄、最堅硬、導電性和導熱性最好的材料。

        對于石墨烯材料來說,2010年是一個重要的年份。這一年,諾貝爾物理學獎授予了物理學家安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫,表彰他們“有關二維材料石墨烯的開創性實驗”,石墨烯材料也因此進入公眾視野。這種既透明輕薄同時又具有超強韌度的二維材料,已經成為當下材料科學領域的“明星”。

        用膠帶“撕出”的諾貝爾獎

        石墨烯是一種二維材料,從結構上來說,它是由碳原子以六元環組構而成的二維平面。它是碳的一種新型二維納米結構形式,衍生于石墨。在顯微鏡下觀察石墨截面可以發現,石墨片層是由石墨烯緊密堆疊構成的。因此,石墨烯可以被看作是一種石墨薄層,1毫米的石墨片層有大約300萬層石墨烯。如果把石墨比作一本書,石墨烯就是其中的一頁,只不過這一頁的厚度僅有0.335納米,是普通紙張的三十萬分之一。石墨烯還是目前可見的透明度最高的材料。玻璃通常作為透明材料使用。最透明的玻璃透光率為87%,而石墨烯薄膜透光率達到97.7%,肉眼看去幾乎是透明的。

        早在19世紀中葉,科學家就發現了石墨特殊的層狀結構。鉛筆在紙上輕輕劃過,留下的印記就是數層石墨烯。然而,科學界長期認為由于石墨烯自身的熱力學不穩定性,其不可能在常溫常壓的條件下穩定存在。也就是說,石墨烯只存在于理論中,不是能實際存在的物質材料。

        這種成見統治了材料科學和凝聚態物理學領域100多年,直至21世紀初被海姆和康斯坦丁戲劇性的發現所打破。據北京創新愛尚家科技股份有限公司穿戴項目負責人王玉倩介紹,兩位英國科學家使用膠帶將石墨烯從石墨中剝離出來,然后用顯微鏡觀察到了這種單層的碳原子結構,證實了石墨烯的存在。他們用膠帶剝離法成功分離出石墨烯的做法,是石墨烯研究的重要突破。

        石墨烯的發現開啟了二維材料世界的大門。時至今日,已經有700多種穩定存在的二維材料得到實驗或理論認證。

        提高制備技術以滿足多元需求

        大批量、低成本生產高質量的石墨烯材料,是其實現產業化應用的前提。但顯然“用膠帶撕下來”的剝離法并不適用于石墨烯材料規模化制備與生產。

        目前,石墨烯的制備主要包括“自上而下”法和“自下而上”法兩種工藝。所謂的“自上而下”法,指的是以石墨為起點,從石墨中層層剝離,得到二維的微觀石墨烯,是一個“由多到一”的過程;而“自下而上”法是指從含碳化合物開始,利用高能量破壞掉化合物的化學鍵,使其中一個個的碳原子從中脫離出來后規則地聚集,生長成為石墨烯,是一個“由零到一”的過程。前者主要包括液相剝離法、氧化還原法、機械剝離法,后者則主要包括化學氣相沉積法、碳化硅晶體外延生長法。

        中國科學院院士、北京大學教授劉忠范介紹,石墨烯材料有3種不同的形態:粉體、薄膜、纖維。材料形態不同,用途也不一樣。2010年至今,石墨烯材料的應用都是以粉體材料為主,用作電熱產品、導電添加劑、防腐涂料等。未來10年值得期待的是一維石墨烯纖維材料,它有望用作散熱膜、功能纖維、結構增強纖維,甚至超級導線等。

        王玉倩介紹,石墨烯具有優異的導電性,可以用于制造加熱墊、加熱片等加熱元件,可以應用于多個領域,包括智能服裝穿戴、清潔建筑供暖、汽車及軌道交通等行業。在2022年北京冬奧會上,從發熱座椅到工作人員、運動員的保暖服裝,都應用了石墨烯發熱材料和石墨烯柔性織物。這些材料和織物表現出優異性能。

        劉忠范表示,再過10年左右,石墨烯薄膜材料或將成為主流應用材料,用其制備的水氧阻隔膜、分離膜、緩沖層、透明電極、觸控屏、射頻器件等,將逐漸從實驗室走向產業化。因此從材料的形態上講,從粉體材料到纖維材料,再到薄膜和晶圓材料,或許可以被視為石墨烯材料可預見的發展歷程。

        同時,石墨烯材料產業還面臨著一系列技術挑戰。王玉倩舉例道,目前石墨烯大規模生產成本仍然較高,需要尋找更加經濟高效的方法;石墨烯的制備需要更好地控制其結構和性能,以滿足不同應用的需求;石墨烯的生產和處理過程中可能會產生環境污染和廢棄物處理問題,需要研究環保的生產方法。盡管石墨烯具有許多優異的特性,但如何在實際應用中利用好這些特性還需要更多的研究和探索。

        為產業尋求“殺手級應用”

        我國是世界第二大石墨資源國,已探明的石墨資源儲量為2.6億噸,石墨基礎儲量約占全世界總儲量的33%,具有良好的產業發展基礎。

        2015年,工業和信息化部、國家發展改革委、科技部等三部委聯合發布的《關于加快石墨烯產業創新發展的若干意見》,成為我國石墨烯領域首個國家層面的綱領性文件。近年來,一系列石墨烯材料產業的相關扶持政策陸續出爐。今年8月,工業和信息化部、國務院國資委印發《前沿材料產業化重點發展指導目錄(第一批)》,石墨烯名列其中。

        無論是石墨烯材料的基礎研究還是產業化,中國都已走在世界前列。經過近10年的發展,國內石墨烯材料市場中,部分下游應用領域取得突破,如石墨烯導電劑已在新能源汽車市場得到廣泛應用。

        隨著國家“煤改電”等清潔能源政策的推動,全國已有幾十個城市出臺了扶持政策,使石墨烯電加熱行業進入高速發展期。此外,石墨烯防腐涂料、石墨烯改性紡織品、石墨烯改性合金材料等應用也在不斷發展成熟,中國成為石墨烯材料市場下游應用開發力度最大的國家。

        同時值得注意的是,歐美石墨烯材料市場的下游應用多為光電器件、傳感器等高精密儀器。這些儀器對石墨烯材料的要求高,因此常采用“自下而上”法制備石墨烯材料。而我國市場上的石墨烯材料大部分采用“自上而下”法,通過氧化還原反應制備,雖然成本低、產量大,但由于質量尚有待提高,因此難以在集成電路等高精密度產品中應用。

        “我們起個大早,趕了個晚集。”劉忠范說,這也是他一直呼吁要尋找石墨烯“殺手級應用”的原因。在他看來,“殺手級應用”是建立在日趨完美的高性能石墨烯材料基礎上的。“我們需要原創性的基礎研究,也需要精益求精的研發和持續不斷的投入。”劉忠范認為。

        (來源:科技日報)

      (責編:陳濛濛)

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