石墨烯产业化障碍亟待解决

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石墨烯产业化障碍

  尽管石墨烯的研发如火如荼,在学术界、企业界和资本市场备受追捧,但如何大规模制备高质量、大尺寸、低成本的石墨烯是产业化亟待解决的问题。

  在7月13日召开的石墨烯产业发展趋势及投资论坛上,多位专家表示,目前制备石墨烯的技术工艺还不成熟,没有达到一致性的品质,而且成品面积都非常小,不能适应工业化应用。石墨烯整体还在研发阶段,各国对这个新兴材料正处于专利布局期,产业链还没有形成,对石墨烯最大的需求仍然是各大院校及科研机构的研究应用。

  石墨烯之所以没有实现大规模量产,主要是没有找到一种适合大规模生产的方法和途径,这也是石墨烯成本居高不下的原因。目前,石墨烯的主要制备方法包括四种:微机械剥离法、外延生长法、氧化石墨还原法和化学气相沉积法。

  诺奖获得者海姆和诺沃肖洛夫获取石墨烯的方法,被称之为微机械剥离法,即直接将石墨烯薄片从较大的晶体上剪裁下来。这一方式至今仍是实验室获取石墨烯进行基础研究的重要手段。该方法得到的石墨烯质量高,但尺寸较小,大小不一,且极费人工,成本很高,不能满足工业化需求。

  外延生长法所获得的石墨烯面积较大,质量较高,但缺点是石墨烯的制作成本非常高,而且生长条件也很苛刻。这种方法生成的石墨烯不易转移到别的基体上使用,因为在金属表面上催化生长石墨烯,再把它转移到适合的基底上,好比在一个足球场上铺一层薄薄的保鲜膜,想让它平平整整且完好无损,难度很大。

  氧化石墨还原法是目前成本最低且最容易实现规模化生产的石墨烯制备方法,它的缺点是在氧化还原的过程中,石墨烯的电子结构以及晶体的完整性容易受到强氧化剂的破坏,进而影响石墨烯的分子特性。

  化学气相沉积法,虽然可以制备出大面积的石墨烯,转移到其他基体上使用也不困难,但质量仍有待提高,且工艺较为复杂,成本较高。

  对石墨烯的研究,中国起步虽相对较晚,研究跟进却很快。截至2012年底,被SCI收录的与石墨烯相关的研究论文已经达到5072篇,超过美国跃居世界第一。

  “但我们存在两个不足。首先,虽然研究群体大、成果多,但突出性、原创性成果较少。我们采用他人成熟的方法,始终处于落后位置,重大创新十分有限,因此要在材料制备方法上寻求突破。此外,主要集中在基础研究,产业应用相对薄弱。”中国科学院院士高鸿钧说,欧洲、美国、韩国等国企业介入比较早,成果应用转化也走在世界前列。

  清华大学康飞宇教授石墨烯研究团队的朱宏伟认为,目前石墨烯已经具备规模化生产的能力,但在发展过程中,仍存在一些问题。中国现有的技术水平可以支持其产业化,但并没有达到最好的水平,未来还需有大的突破。而主要的制约因素在石墨烯的制备技术与理想状态仍存在差距。此外,他希望国家能对石墨烯研究机构及企业给予更多的政策扶持。

  东南大学教授、博士生导师倪振华此前就加速石墨烯科研及产业化提出五点建议:一是从政府层面引导石墨烯研究的正确方向;二是通过政策支持加快产业化进程;三是尽快着手制定行业标准,争取获得话语权;四是加强行业间的交流合作,促进石墨烯广泛应用;五是成立相关产业技术联盟,加强行业内部的协调和合作。

  近几年,石墨烯的兴起也引起了中国政府的重视,去年工信部发布的《新材料产业“十二五”发展规划》中的前沿新材料就包含石墨烯。此外,国家科技重大专项、国家973计划也部署了一批重大项目。

  在2013石墨烯产业发展趋势及投资论坛上,工信部原材料司副司长高云虎表示,石墨烯属于纳米材料范畴,在编制新材料产业“十二五”发展规划的时候,石墨烯还没有目前这样热门,产业应用前景也并不明朗,因此在规划文本、产品目录中没有把石墨烯作为主要重点,但随着技术和应用的突破,下一步会统筹研究并予以考虑。

  7月13日,中国石墨烯产业技术创新战略联盟在北京成立。联盟的成立将有助于整合协调产业资源,建立上下游、产学研信息、知识产权等资源共享机制,进一步提升石墨烯产业链的整体创新水平和低成本石墨烯的竞争力,推动中国石墨烯产业健康发展。

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