崔雪健 劉恩彤 康熠琳 楊奕欣 龍曉瑩

(哈爾濱商業(yè)大學(xué)，黑龍江 哈爾濱 150000)

1 石墨烯的提取與合成

1.1 固相法

根據(jù)碳源物相及合成環(huán)境，其中，固相法包括機(jī)械剝離法和SiC 外延法。利用碳元素的伸縮特性，使膠帶機(jī)械剝離高定向熱解石墨(雖可以獲得高質(zhì)量石墨烯，但該方法效率低且成本高)，所以一般不會在工業(yè)生產(chǎn)中采用。

1.2 液相法

氧化還原法是一種常見的液相法制備石墨烯材料的方法，該方法成本低、產(chǎn)量高，但產(chǎn)物有缺陷。它是通過其在水溶液的條件下，利用其溶解性使其在稀有氣體的保護(hù)下利用催化劑分離，這里用了一定的氧化還原反應(yīng)，除了氧化還原放應(yīng)外，也可以采用石墨烯溶解于有機(jī)溶液例如苯，酮的物質(zhì)也可以分離一定的的石墨烯薄膜。

1.3 化學(xué)氣相沉積法

主要用于制備石墨烯薄膜，高溫下甲烷等氣體在金屬襯底表面催化裂解沉積然后形成石墨烯，化學(xué)氣相沉積法的優(yōu)點(diǎn)在于可以生長大面積、高質(zhì)量、均勻性好的石墨烯薄膜。但缺點(diǎn)是成本高工藝復(fù)雜存在轉(zhuǎn)移的難題，并且生長出來的一般是多晶體。

2 石墨烯的性能

石墨烯具有優(yōu)良的物理性能，如：良好的導(dǎo)電性能，極好的強(qiáng)度和透光性，等。

2.1 電學(xué)性能

石墨烯的電學(xué)性能受其六邊形層狀對稱性影響。在翻轉(zhuǎn)對稱的石墨烯超晶格中可以觀察到拓?fù)潆娏?。其拓?fù)潆娏鞔偈闺娮拥姆崔D(zhuǎn)，使得其電子可以自由地移動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電性，并且這種導(dǎo)電性耗能極少，這也使的電流能最大化的輸出而不損耗，并且其性價(jià)比很高的緣故使得可以成為新型控電材料。說到半導(dǎo)體，就不能不提到硅元素，其中硅的電子價(jià)態(tài)與石墨烯的碳類似，但是因?yàn)槭﹥r(jià)電子比較穩(wěn)定而且也比較簡單，并且其電子的電能因?yàn)槠洫?dú)特的性質(zhì)不會被損耗，所以石墨烯的導(dǎo)電性要優(yōu)于其他半導(dǎo)體的產(chǎn)品。

2.2 光學(xué)性能

石墨烯的透光度(T)和反射率(R)由公式T ≡(1+2πG/c)-2和R ≡0.25π2α2T 進(jìn)行計(jì)算獲得，其中G=e2/4?石墨烯透明導(dǎo)電膜對于包括中遠(yuǎn)紅外線在內(nèi)的所有紅外線的高透明性，是轉(zhuǎn)換效率非常高的新一代太陽能電池最理想材料，并且因?yàn)槠洫?dú)特的電子價(jià)態(tài)結(jié)構(gòu)，使得對光的吸收度和空間飽和度有這驚人的穩(wěn)定系數(shù)，這也使得其透光性有其他半導(dǎo)體材料不可多得的優(yōu)勢。

2.3 力學(xué)性能

石墨烯的力學(xué)性能是用納米壓痕儀測量納米孔上懸浮石墨烯獲得的，懸浮石墨烯的彈性模量E=1.0TPa，強(qiáng)度σint=130GPa。石墨烯的強(qiáng)度比普通鋼材高出100 倍，在結(jié)構(gòu)材料領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

3 石墨烯的應(yīng)用

3.1 石墨烯新型鋰電池負(fù)極材料

石墨烯電池主要運(yùn)用其鋰離子在石墨烯表面會吸附大量的負(fù)電子從而具有其導(dǎo)電性，從化學(xué)角度來說實(shí)際上是一個(gè)陰陽離子在電極中“鑲嵌”和“脫離”的過程，這是其他電極材料所不具備的性能，并且以石墨烯為原料的電容具有很強(qiáng)的存電性，這使得電容所面臨的存耗問題得到了很大的改善，西班牙Graphenano 公司同西班牙科爾瓦多大學(xué)合作研究出首例石墨烯聚合材料電池，其儲電量是市場最好產(chǎn)品的三倍，用此電池提供電力的電動(dòng)車最多能行駛1000 公里，而其充電時(shí)間不到8 分鐘。這使得現(xiàn)今存在的電能存儲技術(shù)得到了歷史性的突破。

3.2 力學(xué)應(yīng)用

通過其分子動(dòng)頻率和頻譜分析，其力學(xué)性能有著顯著的優(yōu)勢。石墨烯納米帶的長度和寬度都會影響石墨烯納米帶的撓度和諧振頻率的變化，長度則是影響撓度和諧振頻率的主要因素。因?yàn)槠渚哂刑嫉奈叫裕虼耸┮簿哂幸欢ǖ奈叫?，對電子的吸附更為顯著，因此在石墨烯的表面有著致密的負(fù)電子，這因此會使其拉伸能力大大增加。石墨烯的熱力學(xué)穩(wěn)定性要超過其他產(chǎn)品，作為力學(xué)性能優(yōu)異的非金屬材料，石墨烯可作為新型二維增強(qiáng)材料的基礎(chǔ)。

3.3 基于選擇透過性的應(yīng)用

大部分物質(zhì)都不能從完美的石墨烯透過，但是因?yàn)槭┦翘继紗螌咏Y(jié)構(gòu)，這使得石墨烯沒有很強(qiáng)的致密性，其受溫度和價(jià)電子的影響，使得它與細(xì)胞膜類似具有一定的選擇透過性，并隨著其層數(shù)的增加其選擇透過性就越明顯。因此，具有連碳原子都不具有的選擇透過性。比如，帶孔的石墨烯薄膜可以實(shí)現(xiàn)CO2和H2的選擇性分離，且能保證很高的透過性。

4 國內(nèi)石墨烯產(chǎn)業(yè)開發(fā)現(xiàn)狀

雖然石墨烯有這么多的優(yōu)勢和特點(diǎn)，但是他的劣勢也十分突出，它的開采和轉(zhuǎn)移的難度是十分明顯的，并且提取提煉的方式不環(huán)保也是現(xiàn)今所面臨的一大難題。就黑龍江雞西開采來說，目前面臨的最大問題就是開采難度大，雖礦產(chǎn)豐富但缺乏技術(shù)上的支持與改革，所以無法成為新興產(chǎn)業(yè)，無法發(fā)展當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟(jì)，這對于科技發(fā)展是一大損失。石墨烯屬于新材料產(chǎn)業(yè)，這個(gè)產(chǎn)業(yè)有三高、三長(難度高、投入高、門檻高，研發(fā)周期長、驗(yàn)證周期長、應(yīng)用周期長) 的特色，比別的行業(yè)要花的資源和精力要更多一些，更不適合新創(chuàng)企業(yè)來進(jìn)行。

由于新材料行業(yè)具備“多、小、散、慢”的特點(diǎn)，在新材料產(chǎn)業(yè)發(fā)達(dá)的國家，行業(yè)技術(shù)變革主要依靠中小企業(yè)。但在國內(nèi)，當(dāng)互聯(lián)網(wǎng)紅利期結(jié)束后，投資機(jī)構(gòu)將目光投向新材料，試圖去挖掘、培育這個(gè)領(lǐng)域的獨(dú)角獸公司時(shí)，卻面臨行業(yè)技術(shù)門檻高、回報(bào)周期長、核心技術(shù)真假難辨等因素，都是讓投資機(jī)構(gòu)卻步不前的主因。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，在投資機(jī)構(gòu)的投資案例比例中，三分之一以上的發(fā)生在天使輪即項(xiàng)目前期研發(fā)階段，在新材料領(lǐng)域只有2%左右。一旦缺少資本的力量，企業(yè)沒有足夠的彈藥攻占技術(shù)制高點(diǎn)，沒有核心技術(shù)又無法真正實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)升級，進(jìn)而就無法實(shí)現(xiàn)資本上的提升。

其實(shí)，石墨烯產(chǎn)品即使是普及了，并且很多石墨烯產(chǎn)品還是很完善可靠的。但有個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)必須突破，那就是好的石墨烯太貴，無法在成本上有優(yōu)勢。同時(shí)，質(zhì)量差的石墨烯沒有效用。因此對開發(fā)和投資者形成兩難格局。不過，這些現(xiàn)象會隨著技術(shù)開發(fā)的深入被一一改善，高性價(jià)比的石墨烯產(chǎn)品在陸續(xù)問世。

石墨烯產(chǎn)業(yè)開發(fā)的最大瓶頸在“無知”。這個(gè)無知普遍出現(xiàn)在科研轉(zhuǎn)化過程中。科研人員急于期待實(shí)驗(yàn)室成果可以實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)；而企業(yè)界不愿投資，雖顯示出強(qiáng)大的市場價(jià)值，但仍在基礎(chǔ)研究階段的項(xiàng)目，這些都是目前石墨烯無法產(chǎn)業(yè)化的主因。我們可以用個(gè)簡單的邏輯去判斷，如果石墨烯在微觀上表現(xiàn)優(yōu)異，而宏觀上卻無法突顯其優(yōu)勢，其中的原因既有科研工作還需要進(jìn)一步拓展，也有市場的認(rèn)知應(yīng)該更深入，同時(shí)應(yīng)用開發(fā)的力度還應(yīng)該更大。

5 結(jié)語

綜上所述，對于石墨烯產(chǎn)業(yè)，新創(chuàng)企業(yè)或者中小企業(yè)扶持重點(diǎn)依然是“資金”和“加速應(yīng)用”，讓他們能夠生存下來?，F(xiàn)在出臺的新材料保險(xiǎn)和示范應(yīng)用平臺的政策都是為了加速應(yīng)用而采用的政策，雖然我認(rèn)為打鐵還需要本身強(qiáng)，只有通過市場的考驗(yàn)才能永續(xù)經(jīng)營。對于石墨烯產(chǎn)業(yè)，打造核心應(yīng)用技術(shù)的任務(wù)還是交給有研發(fā)實(shí)力的民企來進(jìn)行，因?yàn)樗麄兪轻槍Α笆袌鲂枨蟆倍㈨?xiàng)的，也就是知道為何而戰(zhàn)！高校院所是要成為他們技術(shù)創(chuàng)新的支撐，因?yàn)槊駹I企業(yè)在"市場化"能力上還是比較高的。如果再加上國家、地方給予支持，那核心技術(shù)就能夠長期有效地打造起來，再通過打造不同核心技術(shù)的企業(yè)示范創(chuàng)新中心，讓更多民營企業(yè)愿意并持續(xù)進(jìn)行核心技術(shù)的打造，承接國家核心技術(shù)的打造的任務(wù)，才能真正解決科研成果轉(zhuǎn)化難的痛點(diǎn)。