石墨烯

    新華社記者在6日舉行的2016哈爾濱市南崗區石墨烯產業招商項目集中簽約儀式上獲悉:具有高科技含量、高附加值、良好發展前景的石墨烯新材料產業集群將大規模落戶哈爾濱.在新能源新材料領域擁有多項世界級核心技術優勢的北京中博鑫源科技股份有限公司,攜手8家世界知名石墨烯及相關新材料生產研發企業,共同進駐南崗區新材料工業園區,投資186.1億元,構建南崗區石墨烯新材料產業基地,打造國際領先、國內唯一的寒地電動車全產業鏈生產及配套基地,力爭到2020年實現總產值突破500億元.

石墨烯電池

    此次集中簽約項目有包括投資100億元的國家信息安全石墨烯電池合作項目、新能源電動車動力電池裝配項目,投資20億元的軍民融合石墨烯電池合作項目,投資10.5億元的全球首款耐寒電動乘用車、專用車研發生產基地項目,投資14.1億元的全球首款新能源耐寒快充型電池產業基地項目,投資9.5億元的城市新能源電動汽車充電站(樁)項目,投資5億元的軍用民用石墨烯復合材料裝備及PTC材料研發生產基地項目等9個項目,有針對性地加強石墨烯材料在耐寒凍服役條件下耐腐蝕性、耐久性等實驗項目的開展.

    這些項目的集中落地,將形成從石墨烯原料開采,到新能源汽車生產等全產業鏈生態體系.其中,投資100億元的墨烯電池合作項目、電動車動力電池裝配項目,聯手大型國企參與合作,利用北京中博鑫源科技股份有限公司在新能源動力電池研發領域多項國際領先的核心技術,實現新能源電動汽車在極寒環境的突破性應用.北京中博鑫源科技股份有限公司董事長張博對記者介紹說,全球首款新能源耐寒快充型電池可在零下55攝氏度正常使用,實現電動汽車6分鐘"閃充"行駛200公里至300公里的突破性應用.這種以石墨為原料,融入PTC(自控溫低壓熱敏電阻)材料的新能源動力電池,填補了國內極寒地區電池使用的空白,技術處于國際領先水平.

    這也是充分發揮我國黑龍江省石墨礦產資源富集的優勢,打造我國石墨烯產業結構的優化升級,拉動黑龍江省經濟發展的重大舉措.

    石墨烯的應用與石墨烯的制備技術特點緊密相聯.我國石墨儲量豐富,石墨從上而下剝離法制備的石墨烯及其復合材料遲早會在化工、能源、環境、水處理、傳感器和生物等領域找到應用.石墨烯膜、液體分散系和粉體三種基本形態,與高分子、金屬、陶瓷和半導體等主流材料相結合,調控加工與應用終端對接,應用到各領域.但大規模的應用的第一個突破口在哪里,很難準確判斷,因為除了技術發展自身規律外,還有資金等社會因素.技術門檻較低的是散熱材料(散熱膜、膠等),如智能手機、電腦等諸多電子信息產品需要更好更多的散熱材料,有可能帶動石墨烯的規模應用.其次是儲能領域,如超級電容器和二次電池,電動汽車、移動電源和國家電網等對儲能的需求越來越大,質量要求越來越高,石墨烯基材料有望提高儲能充放電的速率和能量密度.

    再次是高分子化工領域,包括各種功能膜與涂層(如靜電屏蔽、金屬防腐等),以及分離膜(如水處理),石墨烯的添加復合有助于高分子產品的升級和特種應用,特別是取代炭黑使得傳統產業升級改造.高端應用則可能在電子信息領域,如透明導電薄膜、晶體管、光調制器和傳感器等領域等大有可為.石墨烯無毒、質輕、柔韌性好及對環境敏感的特質使其在生物領域也能找到用武之地.

    石墨烯大規模應用的時間表受到技術規律和社會方面等多種復雜因素的影響,包括基礎研究的突破、技術本身發展規律,市場需求和政府社會環境以及資金與技術的實時融合等.從替代炭黑到替代氧化銦錫(ITO)再到替代硅,若能實現,每一次都是變革性的.盡管投資石墨烯難度大、風險高,但是回報極高.此次國內石墨烯及其類石墨烯材料大型項目規模的開展勢必對會給中國帶來更多的機遇和發展.

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    一、石墨烯優異的性能

    1.性能優異的石墨烯是原子世界直接通向宏觀世界的完美二維晶體.在結構上,石墨烯是一種原子厚度的開放平面二維碳材料,是由碳原子以sp2雜化緊密堆積成六角形蜂窩晶格的二維晶體.它可被看成是石墨、碳纖維、碳納米管和富勒烯等的基元材料;它是迄今為止世界上已知材料中最薄且真正意義上的二維材料.完美晶體的石墨烯集合先進的機械強度、導熱性和透光性、導電性和化學穩定性于一身.

    單片完美石墨烯的機械強度極高,楊氏模量達1TPa,本征強度130GPa,是最堅韌的材料;熱導率最高,室溫下約為5000W /(m·K),是銅的10倍和硅的幾十倍;其室溫載流子遷移率達2.0×105cm2/(V·S),比硅快100倍;導電性很好,能經受得住極高的電流密度;單層透光率高達97.7%,但另一方面幾乎是全波段吸收,單層吸光率2.3%;其化學穩定性與石墨一樣,耐溫耐酸耐堿耐化學溶劑[1].,因此,石墨烯在化工、能源、環境和生物等領域會得到廣泛應用.

    二、目前,石墨烯的制備方法主要分為2類:

    一類是以石墨為原料的液體剝離法,主要包括石墨氧化剝離、石墨插層-膨脹-機械剝離和石墨電化學溶脹剝離等3種方法.其優勢是原料石墨極其豐富,能夠擴大到N噸級規模制備,以滿足化工、環境和能源領域的大規模應用需求,缺點是石墨烯的質量不高,成本還有下降的空間.

    第二類是碳源基底生長法,由含碳化合物在固體基底上高溫轉化生長而成石墨烯.代表性制備方法的是金屬基底催化的化學氣相沉積和碳化硅基底轉化生長等2種方法.該類方法制備的石墨烯質量比第一類更高(石墨的膠帶剝離法僅限于基礎研究,不能升級,這里不作討論),但產量相對很小,通常以面積計量而不論質量,能耗高、成本高.接下來簡單介紹這5種方法的工作原理、應用領域和優缺點.

責任編輯：周婭

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