开发石墨烯 关键在应用

开发石墨烯  关键在应用

安文

石墨烯由于独特的二维结构而具有高导电性、高导热性、高强度等超强理化性能，被誉为未来新材料之王，为新时代战略性新兴产业发展创造了必要条件和重大机遇。我省石墨烯产业起步早，发展快，但也存在一些问题，尤其面临应用方面严重滞后的挑战。我们调研发现，开发石墨烯超导电缆是江苏石墨烯产业应用领域率先发展的重要突破口。

1 新材料之王石墨烯

1.1石墨烯特质

1.1.1石墨烯物理特质

（1）高强度和高韧性

由于石墨烯碳原子排列方式等内部结构特性，其在力学上是平均模量大于0.25TPa的已知强度最高的材料之一，同时还具有拉伸强度为130GPa的伸缩弯曲的高韧性，可谓比钢硬比纸柔。

（2）高稳定性

石墨烯碳碳键(carbon-carbon bond)仅为1.42，碳原子间连接很柔韧，遇外力时碳原子面可弯曲变形，不必重新排列，从而保持非常稳定的内部结构。

（3）高电导率和导热性

由于内部结构稳定，在电子效应上，石墨烯室温下的载流子迁移率约为15000-250000cm/(V·s)，超过硅材料10倍和锑化铟的两倍。稳定的晶格结构使石墨烯具有优秀的导热性，单层石墨烯导热系数高达5300W/mK，高于单壁碳纳米管(3500W/mK)和多壁碳纳米管(3000W/mK)，是目前导热系数最高的碳材料。

（4）高透光率和光吸收率

石墨烯具有非常良好的光学特性，单层石墨烯在较宽波长范围内吸收率约2.3%，看上去几乎透明。

1.1.2石墨烯化学性质

（1）高溶解性和吸附性

石墨烯具有超疏水性和超亲油性，在非极性溶剂中表现出良好的溶解性。其高吸附性可以吸附和脱附各种原子和分子。

（2）高生物相容性和氧化性

与碳纳米管管状相比，石墨烯呈薄纱状，更适合生物材料方面研究。其边缘比碳纳米管更长，更易于被掺杂和化学改性，更易于接受功能团。如植入羧基离子可使石墨烯材料表面具有活性功能团，从而大幅提高材料的细胞和生物反应活性。高氧化性使石墨烯可与活泼金属反应，石墨烯氧化物含有大量含氧官能团，包括羟基、环氧官能团、羰基、羧基、氧化石墨烯等，而氮化碳呈无序、透明、褶皱的薄纱状，部分薄片层叠在一起形成多层结构，有较纯石墨烯更多优异性能，显示出较高的比电容和良好的循环寿命。石墨烷则表现出具有直接带隙的半导体性质。

（3）高还原性和加成反应性

可在空气中或通过氧化性酸氧化，将石墨烯裁成小碎片，形成分离的石墨烯氧化物片层结构。利用石墨烯双键，可通过加成反应加入需要的基团或石墨烯球。 

1.2石墨烯材料制备

实际上石墨烯层叠起来就是天然石墨，自然界石墨每毫米约含300万层石墨烯，但人们难以剥离出石墨烯单层结构。2004年英国曼彻斯特大学安德烈·盖姆(Andre Geim)和康斯坦丁·诺沃消洛夫(Konstantin Novoselov) 用微机械方法从高定向热解石墨中剥离出石墨片，然后将薄片两面粘在特殊胶带上，撕开胶带把石墨片一分为二，然后不断这样操作，薄片越来越薄，最后得到了单层碳原子——石墨烯。2009年他们在单层和双层石墨烯体系中分别发现了整数量子霍尔效应及常温条件下的量子霍尔效应，因此获得2010年度诺贝尔物理学奖。以后制备石墨烯新方法层出不穷，美国、欧盟、日本和中国等80多个国家将石墨烯材料发展提高到战略高度，相继投入数十亿美元用于石墨烯材料的研究和开发。如欧盟委员会将石墨烯作为“未来新兴旗舰技术项目”，10年内拨10亿欧元经费设立专项研发计划；英国政府投资建立国家石墨烯研究所(NGI)，力图使这种材料从实验室进入生产线和市场。全球300家大型知名企业涉足石墨烯研究，包括IBM、英特尔、陶氏化学、通用、杜邦、东芝等公司。2018年6月27日，中国石墨烯产业技术创新战略联盟也率先制订了《含有石墨烯材料的产品命名指南》团体标准，规定了石墨烯材料相关新产品的命名方法。

2我国开发石墨烯产业的机遇和挑战

2.1中国石墨烯产业发展机遇

中国石墨烯资源占全球的21%，而产量近十年来一直稳居全球第一，初步形成常州、宁波和厦门等生产基地，见下图：

2.2当前国内石墨烯产业发展存在问题

石墨烯既是新材料之王，中国的资源和产量又遥遥领先，我国石墨烯材料研究几乎与国外同步，起点也差不多，国内石墨烯产业应该很滋润。但现实是残酷的，国内石墨烯产业发展瓶颈制约严重，只能重复起个大早赶个晚集的故事，与国外的发展差距正在不断加大。

2.2.1基础研发力度不够

如上所述，在石墨烯材料制备和应用方面的基础性研发，近10年来，发达国家投入数十亿美元，跨国公司投资数百亿美元，而我国因为石墨烯研发过程漫长，需要长期投入巨额人财物，短期经济效益不明显，科研机构乏人问津，尤其在装备制造等关键技术攻关上，投入更是杯水车薪， 大多局限于实验室小打小闹，科研目的主要是发表论文和申报课题，与生产企业和应用领域基本脱节。以石墨烯产业发展势头较好的常州石墨烯产业园为例，为研究开发石墨烯钙钛矿光伏材料，我们请园区提供纳米级石墨烯原料样品，得不到满足，原因就是中国没有这种装备，科研院所几乎没有这方面研究成果。

2.2.2材料制备处于简单加工阶段

据报道，韩国三星将石墨烯与二氧化硅融合为类似爆米花的 “石墨烯球”，既提高了电池稳定性，又提高了电导率，“大大提高了阴极的可循环性和快速充电能力”，在石墨烯替代锂的技术上取得了重大突破。目前国内石墨烯企业和产量不少，但几乎都处于利用廉价和丰富的原材料进行初步加工，得到石墨烯粉体半成品的初级规模化简单加工阶段，不可能充分发挥石墨烯作为新材料之王的技术优势。如日本东丽化学株式会社长期从常州石墨烯产业园某企业采购石墨烯粉体材料，该企业只知道其经过理化精加工制造出广泛供应传感器、晶体管、柔性显示屏、新能源电池、海水淡化、储氢材料、航空航天、感光元件、复合材料和生物医药等领域的石墨烯精制材料，却不懂其生产工艺技术，只能眼睁睁看着人家赚走几十倍利润。

2.2.3应用领域严重滞后

在应用上，石墨烯5G调制器、石墨烯NFC设备、石墨烯宽带成像设备等一系列高端石墨烯应用技术和产品在国外早已亮相，基于石墨烯的复合材料更是石墨烯应用领域中的重要研究方向， 其在能量储存、液晶器件、电子器件、生物材料、传感材料和催化剂载体等领域展现出了优良性能，石墨烯制成的多功能聚合物复合材料、高强度多孔陶瓷材料，金属基石墨烯增强复合材料等应用领域，具有广阔前景。而受制于石墨烯高端应用研发的长期高投入和高风险，在上述领域却很少看到中国企业的身影。如上所述，目前我国应用领域只是将经过简单加工得到的石墨烯粉体或浆料添加到各类传统产品中，以改善其性能。而且因用量较少且不发挥主要作用，石墨烯只能作为辅助材料使用，由此获得了“工业味精”的称号。这种所谓应用有点像“高射炮打蚊子”，石墨烯新材料之王的功能不可能充分发挥。

3 江苏石墨烯产业发展的突破口

综上所述，目前我国石墨烯产业发展亟待解决的当务之急，是拓展石墨烯材料在战略性新兴产业的应用领域。只有将国内外现有石墨烯先进技术成果存量不断应用于可以充分发挥新材料之王功能优势的诸多领域，产生越来越大的经济效益，才能不断集聚发展石墨烯产业要素增量的动能，实现由研发投入到产品化、产业化和市场化的良性循环。

江苏拥有起步较早的常州石墨烯产业园等石墨烯开发基地，拥有基础雄厚的新材料研发科研院所，拥有天合光能等一大批石墨烯潜在应用客户，拥有规模巨大的战略性新兴产业，在新时代率先高质量发展中，很有必要、大有可能在石墨烯产业发展、尤其是应用领域拓展方面率先突破，其突破口之一就是研发石墨烯超导电缆。

世界顶尖学术期刊《自然》杂志2018年12月18日发布了2018年度科学人物，位居榜首的是1996年出生、在美国麻省理工学院攻读博士的中国学生曹原。曹原及其团队发现，利用双层石墨烯系统旋转效应，即将两层石墨烯叠加，当转角接近魔角(Magic angle)即1.1°、温度环境达到1.7K(-271℃)时，电子会表现出与铜氧化物类似的非常规超导电性，就是所谓通行无“阻”的“零电阻状态”。我们知道，一般材料导电过程会消耗大量能量，以传输电缆为例，从发电站到用户的传送过程，消耗损失能量越小，经济效益越大。超导体出现，使传输过程能量损耗几乎为零。不过，目前绝大多数超导体仅在接近0K(-273℃)温度下工作，维持低温使超导体的应用成本显著提升。曹原团队使石墨烯在室温下实现超导，就能避开昂贵的冷却费，彻底改变能量传输、医疗扫描仪和运输等相关领域的现状。

江苏是我国电缆生产大省，常州和苏州电缆生产基地规模巨大，实力雄厚，完全有条件实现石墨烯超导电缆产业化和市场化。

3.1大力支持石墨烯超导电缆基础研发

建议由政府有关部门牵头，组织省产业研究院和相关科研院所及高校建立石墨烯超导电缆研发中心，引进曹原作为领军团队，将石墨烯超导电缆技术在江苏落地、生根、开花和结果，深入开展石墨烯超导电缆产品研制、装备制造和相关配套环节的推进工作。

3.2大力支持石墨烯超导电缆产学研合作攻关

人无远虑，必有近忧。石墨烯超导电缆技术对我省电缆行业的革命性颠覆是显而易见的，我省电缆企业必须打破因为看见所以相信的传统产业思维定势，树立只有相信才能看见的新兴产业发展思路，在省发改委、科技厅引导下，电缆企业、尤其是电力装备行业上市公司要主动积极投入未雨绸缪的石墨烯超导电缆产学研合作攻关事业。有关部门对石墨烯超导电缆产学研合作攻关机构和团队要给予立项、信息、政策、资金等全面支持。

3.3大力支持石墨烯超导电缆项目投融资

石墨烯超导电缆研发和制造关乎我省传统产业在新时代能否实现技术升级、新旧动能转换的战略大局，是未来资源配置尤其是资金投入的重要方向之一。因此，建议金融部门和投融资机构要建立石墨烯超导电缆产业发展母基金，充分利用社会资本杠杆效应，通过直接和间接融资，解决石墨烯超导电缆产业发展规模大、周期长、眼前效益不明显导致的资金瓶颈问题。

发展石墨烯产业，在全球产业链分工中，中国企业大体有两条路径：一是甘居中上游定位，通过廉价资源掠夺性开发和产能整合，猎取规模化初级简单加工利润；二是迎难而上，参与全球石墨烯产业高端应用环节，提高产品附加值。我们调研发现，我省电力装备行业发展规划不仅对石墨烯超导电缆并未引起高度重视，目前电缆企业对这一颠覆性技术革命敏感性较差，尤其是电缆上市公司仍在盲目投资扩大传统电缆产能；而且受短期利益驱动，石墨烯企业多数选择第一条急功近利的路径。如我省几家石墨烯上市公司虽然通过收购或入股国内企业形，进入石墨烯导电剂、石墨烯粉体生产等领域，但高端的传感芯片等领域鲜有涉及，与国外先进应用技术融合的案例更为罕见。我们认为，开发石墨烯超导电缆属于较有创新性的第二条路径，对发展江苏石墨烯产业具有很强的可操作性。因此，课题组在本调研报告中发出石墨烯盛世危语，希望成为石墨烯发展的警世忠言。