石墨烯的開采與應(yīng)用

崔雪健 劉恩彤 康熠琳 楊奕欣 龍曉瑩

(哈爾濱商業(yè)大學(xué)，黑龍江 哈爾濱 150000)

1 石墨烯的提取與合成

1.1 固相法

根據(jù)碳源物相及合成環(huán)境，其中，固相法包括機(jī)械剝離法和SiC 外延法。利用碳元素的伸縮特性，使膠帶機(jī)械剝離高定向熱解石墨(雖可以獲得高質(zhì)量石墨烯，但該方法效率低且成本高)，所以一般不會(huì)在工業(yè)生產(chǎn)中采用。

1.2 液相法

氧化還原法是一種常見的液相法制備石墨烯材料的方法，該方法成本低、產(chǎn)量高，但產(chǎn)物有缺陷。它是通過其在水溶液的條件下，利用其溶解性使其在稀有氣體的保護(hù)下利用催化劑分離，這里用了一定的氧化還原反應(yīng)，除了氧化還原放應(yīng)外，也可以采用石墨烯溶解于有機(jī)溶液例如苯，酮的物質(zhì)也可以分離一定的的石墨烯薄膜。

1.3 化學(xué)氣相沉積法

主要用于制備石墨烯薄膜，高溫下甲烷等氣體在金屬襯底表面催化裂解沉積然后形成石墨烯，化學(xué)氣相沉積法的優(yōu)點(diǎn)在于可以生長大面積、高質(zhì)量、均勻性好的石墨烯薄膜。但缺點(diǎn)是成本高工藝復(fù)雜存在轉(zhuǎn)移的難題，并且生長出來的一般是多晶體。

2 石墨烯的性能

石墨烯具有優(yōu)良的物理性能，如：良好的導(dǎo)電性能，極好的強(qiáng)度和透光性，等。

2.1 電學(xué)性能

石墨烯的電學(xué)性能受其六邊形層狀對稱性影響。在翻轉(zhuǎn)對稱的石墨烯超晶格中可以觀察到拓?fù)潆娏?。其拓?fù)潆娏鞔偈闺娮拥姆崔D(zhuǎn)，使得其電子可以自由地移動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電性，并且這種導(dǎo)電性耗能極少，這也使的電流能最大化的輸出而不損耗，并且其性價(jià)比很高的緣故使得可以成為新型控電材料。說到半導(dǎo)體，就不能不提到硅元素，其中硅的電子價(jià)態(tài)與石墨烯的碳類似，但是因?yàn)槭﹥r(jià)電子比較穩(wěn)定而且也比較簡單，并且其電子的電能因?yàn)槠洫?dú)特的性質(zhì)不會(huì)被損耗，所以石墨烯的導(dǎo)電性要優(yōu)于其他半導(dǎo)體的產(chǎn)品。

2.2 光學(xué)性能

石墨烯的透光度(T)和反射率(R)由公式T ≡(1+2πG/c)-2和R ≡0.25π2α2T 進(jìn)行計(jì)算獲得，其中G=e2/4?石墨烯透明導(dǎo)電膜對于包括中遠(yuǎn)紅外線在內(nèi)的所有紅外線的高透明性，是轉(zhuǎn)換效率非常高的新一代太陽能電池最理想材料，并且因?yàn)槠洫?dú)特的電子價(jià)態(tài)結(jié)構(gòu)，使得對光的吸收度和空間飽和度有這驚人的穩(wěn)定系數(shù)，這也使得其透光性有其他半導(dǎo)體材料不可多得的優(yōu)勢。

2.3 力學(xué)性能

石墨烯的力學(xué)性能是用納米壓痕儀測量納米孔上懸浮石墨烯獲得的，懸浮石墨烯的彈性模量E=1.0TPa，強(qiáng)度σint=130GPa。石墨烯的強(qiáng)度比普通鋼材高出100 倍，在結(jié)構(gòu)材料領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

3 石墨烯的應(yīng)用

3.1 石墨烯新型鋰電池負(fù)極材料

石墨烯電池主要運(yùn)用其鋰離子在石墨烯表面會(huì)吸附大量的負(fù)電子從而具有其導(dǎo)電性，從化學(xué)角度來說實(shí)際上是一個(gè)陰陽離子在電極中“鑲嵌”和“脫離”的過程，這是其他電極材料所不具備的性能，并且以石墨烯為原料的電容具有很強(qiáng)的存電性，這使得電容所面臨的存耗問題得到了很大的改善，西班牙Graphenano 公司同西班牙科爾瓦多大學(xué)合作研究出首例石墨烯聚合材料電池，其儲(chǔ)電量是市場最好產(chǎn)品的三倍，用此電池提供電力的電動(dòng)車最多能行駛1000 公里，而其充電時(shí)間不到8 分鐘。這使得現(xiàn)今存在的電能存儲(chǔ)技術(shù)得到了歷史性的突破。

3.2 力學(xué)應(yīng)用

通過其分子動(dòng)頻率和頻譜分析，其力學(xué)性能有著顯著的優(yōu)勢。石墨烯納米帶的長度和寬度都會(huì)影響石墨烯納米帶的撓度和諧振頻率的變化，長度則是影響撓度和諧振頻率的主要因素。因?yàn)槠渚哂刑嫉奈叫?，因此石墨烯也具有一定的吸附性，對電子的吸附更為顯著，因此在石墨烯的表面有著致密的負(fù)電子，這因此會(huì)使其拉伸能力大大增加。石墨烯的熱力學(xué)穩(wěn)定性要超過其他產(chǎn)品，作為力學(xué)性能優(yōu)異的非金屬材料，石墨烯可作為新型二維增強(qiáng)材料的基礎(chǔ)。

3.3 基于選擇透過性的應(yīng)用

大部分物質(zhì)都不能從完美的石墨烯透過，但是因?yàn)槭┦翘继紗螌咏Y(jié)構(gòu)，這使得石墨烯沒有很強(qiáng)的致密性，其受溫度和價(jià)電子的影響，使得它與細(xì)胞膜類似具有一定的選擇透過性，并隨著其層數(shù)的增加其選擇透過性就越明顯。因此，具有連碳原子都不具有的選擇透過性。比如，帶孔的石墨烯薄膜可以實(shí)現(xiàn)CO2和H2的選擇性分離，且能保證很高的透過性。

4 國內(nèi)石墨烯產(chǎn)業(yè)開發(fā)現(xiàn)狀

雖然石墨烯有這么多的優(yōu)勢和特點(diǎn)，但是他的劣勢也十分突出，它的開采和轉(zhuǎn)移的難度是十分明顯的，并且提取提煉的方式不環(huán)保也是現(xiàn)今所面臨的一大難題。就黑龍江雞西開采來說，目前面臨的最大問題就是開采難度大，雖礦產(chǎn)豐富但缺乏技術(shù)上的支持與改革，所以無法成為新興產(chǎn)業(yè)，無法發(fā)展當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟(jì)，這對于科技發(fā)展是一大損失。石墨烯屬于新材料產(chǎn)業(yè)，這個(gè)產(chǎn)業(yè)有三高、三長(難度高、投入高、門檻高，研發(fā)周期長、驗(yàn)證周期長、應(yīng)用周期長) 的特色，比別的行業(yè)要花的資源和精力要更多一些，更不適合新創(chuàng)企業(yè)來進(jìn)行。

由于新材料行業(yè)具備“多、小、散、慢”的特點(diǎn)，在新材料產(chǎn)業(yè)發(fā)達(dá)的國家，行業(yè)技術(shù)變革主要依靠中小企業(yè)。但在國內(nèi)，當(dāng)互聯(lián)網(wǎng)紅利期結(jié)束后，投資機(jī)構(gòu)將目光投向新材料，試圖去挖掘、培育這個(gè)領(lǐng)域的獨(dú)角獸公司時(shí)，卻面臨行業(yè)技術(shù)門檻高、回報(bào)周期長、核心技術(shù)真假難辨等因素，都是讓投資機(jī)構(gòu)卻步不前的主因。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，在投資機(jī)構(gòu)的投資案例比例中，三分之一以上的發(fā)生在天使輪即項(xiàng)目前期研發(fā)階段，在新材料領(lǐng)域只有2%左右。一旦缺少資本的力量，企業(yè)沒有足夠的彈藥攻占技術(shù)制高點(diǎn)，沒有核心技術(shù)又無法真正實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)升級(jí)，進(jìn)而就無法實(shí)現(xiàn)資本上的提升。

其實(shí)，石墨烯產(chǎn)品即使是普及了，并且很多石墨烯產(chǎn)品還是很完善可靠的。但有個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)必須突破，那就是好的石墨烯太貴，無法在成本上有優(yōu)勢。同時(shí)，質(zhì)量差的石墨烯沒有效用。因此對開發(fā)和投資者形成兩難格局。不過，這些現(xiàn)象會(huì)隨著技術(shù)開發(fā)的深入被一一改善，高性價(jià)比的石墨烯產(chǎn)品在陸續(xù)問世。

石墨烯產(chǎn)業(yè)開發(fā)的最大瓶頸在“無知”。這個(gè)無知普遍出現(xiàn)在科研轉(zhuǎn)化過程中?？蒲腥藛T急于期待實(shí)驗(yàn)室成果可以實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)；而企業(yè)界不愿投資，雖顯示出強(qiáng)大的市場價(jià)值，但仍在基礎(chǔ)研究階段的項(xiàng)目，這些都是目前石墨烯無法產(chǎn)業(yè)化的主因。我們可以用個(gè)簡單的邏輯去判斷，如果石墨烯在微觀上表現(xiàn)優(yōu)異，而宏觀上卻無法突顯其優(yōu)勢，其中的原因既有科研工作還需要進(jìn)一步拓展，也有市場的認(rèn)知應(yīng)該更深入，同時(shí)應(yīng)用開發(fā)的力度還應(yīng)該更大。

5 結(jié)語

綜上所述，對于石墨烯產(chǎn)業(yè)，新創(chuàng)企業(yè)或者中小企業(yè)扶持重點(diǎn)依然是“資金”和“加速應(yīng)用”，讓他們能夠生存下來?，F(xiàn)在出臺(tái)的新材料保險(xiǎn)和示范應(yīng)用平臺(tái)的政策都是為了加速應(yīng)用而采用的政策，雖然我認(rèn)為打鐵還需要本身強(qiáng)，只有通過市場的考驗(yàn)才能永續(xù)經(jīng)營。對于石墨烯產(chǎn)業(yè)，打造核心應(yīng)用技術(shù)的任務(wù)還是交給有研發(fā)實(shí)力的民企來進(jìn)行，因?yàn)樗麄兪轻槍Α笆袌鲂枨蟆倍㈨?xiàng)的，也就是知道為何而戰(zhàn)！高校院所是要成為他們技術(shù)創(chuàng)新的支撐，因?yàn)槊駹I企業(yè)在"市場化"能力上還是比較高的。如果再加上國家、地方給予支持，那核心技術(shù)就能夠長期有效地打造起來，再通過打造不同核心技術(shù)的企業(yè)示范創(chuàng)新中心，讓更多民營企業(yè)愿意并持續(xù)進(jìn)行核心技術(shù)的打造，承接國家核心技術(shù)的打造的任務(wù)，才能真正解決科研成果轉(zhuǎn)化難的痛點(diǎn)。