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刘忠范院士:石墨烯产业处于市场冷静期 要找到“杀手锏”级应用
2022-06-08 06:00:00   来源:新材料在线   


在人类文明的进程中,碳材料扮演着重要的角色。


最早的碳材料,可以追溯至远古时代的钻木取火,其干木头中50%以上都是碳。


公元前2450年,印度人发现了天然金刚石;19世纪上半叶,北美人用天然气大规模生产炭黑,助推了炭黑产业发展。20世纪50年代末,碳纤维进入了大众视野。20世纪80年代以来,一个个新型的纳米碳材料问世,如C60和富勒烯,1996年斩获诺贝尔化学奖;1991年,人们发现了一维的碳材料——碳纳米管;2004年发现了二维碳材料——石墨烯,并于2010年获得诺贝尔物理学奖。


远古时代至今,碳材料家族不断迎来新成员,并不断创造出新产业,如金刚石产业、石墨产业、炭黑产业、活性碳产业、碳纤维产业等。


“下一个碳材料产业是什么?我坚信是石墨烯产业,它应该是古老碳材料产业中的新星,是碳材料产业的继承者。”5月25日,在由新材料在线?主办,新材料企业家成长营共同协办的“百大名师”系列在线课程上,中国科学院院士、北京石墨烯研究院院长刘忠范围绕主题《古树新枝,继往开来的石墨烯材料》,针对碳材料的发展历程、石墨烯的广阔应用前景及技术挑战等话题,发表了精彩的演讲直播。


01

石墨烯:神奇的特性造就无限的未来


诚然,石墨烯这一材料的神奇特性,为产学研界带来了无限的期待。“因为石墨烯是最薄最轻的材料,也是最坚硬的材料,它的导电性、导热性从理论上讲都是无与伦比的,并且具有柔性和非常高的化学稳定性,可以想象未来它的前景是多么广阔。


提及发现过程,刘忠范院士打趣道“石墨烯是用透明胶带撕出来的”。


据介绍,石墨烯是利用范德华力结合起来的一种层状物质,因此其层间相互作用较弱,用透明胶带按上去反复对折撕扯,层数显然越来越少。


“若是运气好,可能会撕出单层的石墨片,这在学术上就被称为石墨烯,简单计算可知,1mm厚的石墨大约含有300万层的石墨烯,因此可以想象石墨烯是一种非常非常薄的材料。”


2004年10月22日,科学家安德烈·海姆与康斯坦丁·诺沃肖洛夫在美国科学杂志上发了第一篇石墨烯热点文章,短短6年后的2010年10月,荣获诺贝尔物理学奖,可见石墨烯材料的神奇,也不难理解这种材料能在短期内引起人们的广泛关注和研究热潮。


刘忠范院士回忆起自己30多年前在日本东京大学留学的经历。“我经常用透明胶带撕石墨,因为石墨表面有灰尘和吸附物,用胶带撕掉表层就会露出新鲜的表面,但很可惜我没有接着撕下去,错失了发现石墨烯的机会。”


在刘忠范院士看来,从多个角度、多种思维去做研究尤为重要。“从某种意义上说,从0到1的原创性基础研究突破,常常是无心插柳的结果,源于科学家们的强烈好奇心和求知欲,很难进行‘规划’和重点‘攻关’,这也是基础研究的一个基本特征。”


当前,石墨烯正逐渐走进人类生活,续写到碳材料家族新的辉煌,在电子信息、光通信、新能源、生物医药、节能环保、航空航天、国防军工等广阔领域,都拥有着极为诱人的应用前景。


一是石墨烯可以助力新能源汽车充电更快、跑得更远。锂离子电池的正极材料导电性一般较差,目前的主流做法是利用碳黑做导电添加剂,但对于电池来说,这种非活性的导电添加剂添加得越多,其能量密度就会降低越多。利用高性能石墨烯导电剂代替碳黑,理论上可以显著降低这种非活性添加剂,从而提高能量密度,并显著提升电池的快充性能。


二是石墨烯在大健康、电热领域拥有着极为广阔的应用前景利用石墨烯的红外辐射性能,石墨烯可以用于制作电加热服、电热毯、眼罩、红外理疗、地暖、墙暖等。


三是在重防腐涂料领域中,石墨烯拥有开发潜力例如化工厂和海洋环境中,腐蚀问题非常严重,通常大量使用防腐涂料。超薄氧化石墨烯微片比传统玻璃鳞片可提供更好的物理屏蔽,延缓腐蚀介质的渗透。


四是在传感器领域,石墨烯大有可为。石墨烯是单层的石墨片,原子都裸露在表面上,因此可非常敏锐地感知周围环境的变化,并通过电信号检测出来,所以石墨烯是理想的超高灵敏度传感材料。


五是在可穿戴技术上,石墨烯也有着广阔的应用前景。其超薄性、柔性和多功能性,使其成为可穿戴技术和健康监测应用的理想选择。


此外,石墨烯的另一个潜在应用市场是触摸屏。人们一直期待开发新材料来替代高成本的ITO导电玻璃,石墨烯就具有成为这种替代品的可能性,但目前还有很多挑战性的技术问题有待解决。


而在新一代超快光通信、航空航天、国防军工等领域,石墨烯也有着广阔的前景。但理想与现实之间还存在巨大的鸿沟,需要克服诸多技术挑战,包括成本问题、质量问题等。


02

寻找石墨烯的“杀手锏”级应用


一种新材料和新技术,从问世到产业化,一般包括技术萌芽期、期望顶峰、泡沫谷底、爬坡期和稳定应用期几个不同的阶段。


石墨烯新材料产业的起点可以上溯到2004年,只有18年左右的历史。“目前石墨烯产业已经度过了炒作高峰期,市场正趋于冷静,我还不认为它达到了泡沫谷底,未来还需要耐心、坚持和远见。


刘忠范院士介绍道,2010年至今,石墨烯的应用以粉体材料为主,用作电热产品、导电添加剂、防腐涂料等。未来10年值得期待的是一维石墨烯纤维材料,有望用作散热膜、功能纤维、结构增强纤维,甚至超级导线等。


再过10年左右,或许是石墨烯薄膜材料的天下。水氧阻隔膜、分离膜、缓冲层、透明电极、触控屏、射频器件、光通信器件等,将逐渐从实验室走向产业化。从材料的形态上讲,粉体材料到纤维材料,再到薄膜和晶圆材料,或许是石墨烯材料的发展历程


但目前的石墨烯新材料产业,还面临着一系列的技术挑战


一是低成本的规模化制备的技术,二是低成本的批量剥离转移技术,三是单层基元材料到实用宏观材料的过渡和性能传递方法,四是复合基体材料中的分散技术,五是要找到石墨烯材料的不可替代的“杀手锏”级应用。


在演讲中,刘忠范院士着重强调了石墨烯的“杀手锏”级应用探索。“到现在还没有找到石墨烯独到的、无法替代的用途,若只做‘万金油’式的添加剂和‘工业味精’,这个产业是不会走太远的。


对于石墨烯来说,推动传统产业的升级换代,或者创造全新的产业,才是它的价值所在。


例如,刘忠范院士团队发明的新一代变革性的光纤技术——烯碳光纤,将光纤与石墨烯结合起来,直接在石英光纤上生长一层石墨烯,用石墨烯来控制光信号的传输,可制作全新的电光调制器、超快光纤激光器和光纤探测器等。


发展石墨烯产业绝非是一朝一夕的事情,需要国家意志、产学研协同创新和长期不懈的努力。


当前石墨烯产业的发展处于关键时间节点上,刘忠范院士提醒道,不能只关注石墨烯产业的现在,否则会丢掉石墨烯产业的未来;也不能只关注石墨烯产业的未来,否则很难走到未来


中国的石墨烯新材料研发需要像东丽公司那样的担当者;中国的石墨烯产业也需要真正的‘工匠精神’和‘匠人’,把材料做到极致,填补从理想到现实的巨大鸿沟。


在刘忠范院士看来,当年的碳纤维只能做钓鱼竿,历经半个世纪,碳纤维已成为航空航天和国防军工领域的“杀手锏”级材料,东丽公司的努力和坚持体现了新材料研发的工匠精神


今天的石墨烯不等同于未来的石墨烯,它尚无法支撑起石墨烯产业的‘大厦’,石墨烯的产业化道路还很长,需要的是产学研界的耐心和坚持。”


问答环节:


Q1:3D石墨烯和普通石墨烯在性能和用途上有什么区别?可用PVD的方式制备3D石墨烯吗?


刘忠范院士:3D石墨烯也叫三维石墨烯,是一种类似海绵状的石墨烯。理论上这个说法是不严格的,因为石墨烯是二维材料,这种称谓会带来概念上的混乱。


我们曾经用硅藻土做石墨烯高温生长的衬底。这种硅藻土拥有很多微纳米尺寸的小孔,石墨烯沿着这些孔道生长后,除掉硅藻土衬底,就形成了三维网络状的石墨烯材料。


看起来它是粉体,但其实它像一个个的海绵球,比表面积很大,可以作为吸附剂、导电剂使用。


PVD是物理沉积方法,而CVD是化学沉积方法。三维石墨烯其实是由二维石墨烯形成的网络状结构材料。如果找到合适的网络结构模板,把石墨烯粉体沉积进去,或许也可以做出来3D石墨烯材料,关键看具体工艺是什么。


Q2:石墨烯可以用生物质制备吗,生物质石墨烯的产业化和应用潜力如何?


刘忠范院士:这个问题很有意思。实际上多年前就有人提出来生物质石墨烯的概念。石墨烯是碳材料,理论上只要含有碳元素,经过条件足够苛刻的高温处理,都可以实现碳化、石墨化。如果能够控制非常薄的话,当然可以制备出石墨烯来。


最后制备出的石墨烯的差异在于质量问题。还有就是高温处理做出来的,通常是很厚的石墨,不会是石墨烯。当然,特殊条件下不排除做出石墨烯的可能性。从学术上讲,生物质石墨烯这个说法并不太严谨。


Q3:您的团队制备的石墨烯薄膜材料的导电性如何,是否可以作为压力传感器?成本如何?


刘忠范院士:对于石墨烯薄膜材料的导电性,有两个常用的参数。一个是面电阻,对于单层石墨烯来说,面电阻还得看把它放到什么衬底上测量。如果放到氧化硅/硅衬底上,单层石墨烯可以做到300欧以下,掺杂之后可以做到100欧以下。如果把它放到塑料薄膜上,面电阻一般在1000欧左右。


还有一个是迁移率, 4英寸的单晶晶圆,室温迁移率可以做到1万以上,超洁净石墨烯甚至高达5万以上。


石墨烯薄膜材料和单晶晶圆材料,我们能提供的是最好的,拥有最高的实测导电性。


Q4:您提到2018年先进材料期刊上的全球石墨烯产品中石墨烯含量大多数不足10%,全都不足50%。请问BGI产品怎样?


刘忠范院士:这个指的是粉体材料,严格意义上是单层石墨烯的概念。


我的BGI团队在粉体石墨烯方面做的很少,重点是薄膜和纤维。


Q5:如何看待石墨烯芯片?可行性如何?


刘忠范院士:首先怎么定义芯片?如果说用石墨烯去做集成电路芯片,应该是比较遥远的。


石墨烯材料跟硅材料不同,硅材料拥有1.1电子伏特的带隙,而石墨烯的带隙为零。没有带隙意味着无法开关,因此不能直接用石墨烯材料制造集成电路的基本结构单元晶体管。


过去十几年的时间,人们尝试打开石墨烯的带隙。我本人也做过类似的基础研究,用化学修饰的方法,但只能打开几十毫电子伏特的带隙,没有实用价值。从这个意义上讲,用石墨烯做逻辑电路,暂时还不现实,也没有更好的思路。


但是,发展全新的器件原理,或许石墨烯可以派上大用场。这方面我是外行,不敢妄言。



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