石墨烯

    新華社記者在6日舉行的2016哈爾濱市南崗區(qū)石墨烯產(chǎn)業(yè)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(fā)展前景的石墨烯新材料產(chǎn)業(yè)集群將大規(guī)模落戶哈爾濱.在新能源新材料領(lǐng)域擁有多項世界級核心技術(shù)優(yōu)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(guān)新材料生產(chǎn)研發(fā)企業(yè),共同進駐南崗區(qū)新材料工業(yè)園區(qū),投資186.1億元,構(gòu)建南崗區(qū)石墨烯新材料產(chǎn)業(yè)基地,打造國際領(lǐng)先、國內(nèi)唯一的寒地電動車全產(chǎn)業(yè)鏈生產(chǎn)及配套基地,力爭到2020年實現(xiàn)總產(chǎn)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(fā)生產(chǎn)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(chǎn)業(yè)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(fā)生產(chǎn)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(chǎn)等全產(chǎn)業(yè)鏈生態(tài)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(lián)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(fā)領(lǐng)域多項國際領(lǐng)先的核心技術(shù),實現(xiàn)新能源電動汽車在極寒環(huán)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(xiàn)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(nèi)極寒地區(qū)電池使用的空白,技術(shù)處于國際領(lǐng)先水平.

    這也是充分發(fā)揮我國黑龍江省石墨礦產(chǎn)資源富集的優(yōu)勢,打造我國石墨烯產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化升級,拉動黑龍江省經(jīng)濟發(fā)展的重大舉措.

    石墨烯的應用與石墨烯的制備技術(shù)特點緊密相聯(lián).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(huán)境、水處理、傳感器和生物等領(lǐng)域找到應用.石墨烯膜、液體分散系和粉體三種基本形態(tài),與高分子、金屬、陶瓷和半導體等主流材料相結(jié)合,調(diào)控加工與應用終端對接,應用到各領(lǐng)域.但大規(guī)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(shù)發(fā)展自身規(guī)律外,還有資金等社會因素.技術(shù)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(chǎn)品需要更好更多的散熱材料,有可能帶動石墨烯的規(guī)模應用.其次是儲能領(lǐng)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(wǎng)等對儲能的需求越來越大,質(zhì)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(lǐng)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(chǎn)品的升級和特種應用,特別是取代炭黑使得傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)升級改造.高端應用則可能在電子信息領(lǐng)域,如透明導電薄膜、晶體管、光調(diào)制器和傳感器等領(lǐng)域等大有可為.石墨烯無毒、質(zhì)輕、柔韌性好及對環(huán)境敏感的特質(zhì)使其在生物領(lǐng)域也能找到用武之地.

    石墨烯大規(guī)模應用的時間表受到技術(shù)規(guī)律和社會方面等多種復雜因素的影響,包括基礎(chǔ)研究的突破、技術(shù)本身發(fā)展規(guī)律,市場需求和政府社會環(huán)境以及資金與技術(shù)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(xiàn),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(nèi)石墨烯及其類石墨烯材料大型項目規(guī)模的開展勢必對會給中國帶來更多的機遇和發(fā)展.

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    一、石墨烯優(yōu)異的性能

    1.性能優(yōu)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(jié)構(gòu)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(wěn)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(jīng)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(wěn)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(huán)境和生物等領(lǐng)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(yōu)勢是原料石墨極其豐富,能夠擴大到N噸級規(guī)模制備,以滿足化工、環(huán)境和能源領(lǐng)域的大規(guī)模應用需求,缺點是石墨烯的質(zhì)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(zhuǎn)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(zhuǎn)化生長等2種方法.該類方法制備的石墨烯質(zhì)量比第一類更高(石墨的膠帶剝離法僅限于基礎(chǔ)研究,不能升級,這里不作討論),但產(chǎn)量相對很小,通常以面積計量而不論質(zhì)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(lǐng)域和優(yōu)缺點.

責任編輯：周婭

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