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中國(guó)科學(xué)院院士劉忠范：正視我國(guó)石墨烯產(chǎn)業(yè)現(xiàn)存問(wèn)題
文章來(lái)源：新材料在線 更新時(shí)間：2021-03-10 15:18:45
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2004年，英國(guó)曼徹斯特大學(xué)教授安德烈·海姆（Andre Geim）和康斯坦丁·諾沃肖洛夫（Kostya Novoselov）成功地從石墨中分離出石墨烯。2010年，兩人借著在石墨烯方面的創(chuàng)新研究而獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。之后，世界范圍內(nèi)對(duì)石墨烯的研究、應(yīng)用及投資快速升溫。
作為目前世界上已知的最薄、強(qiáng)度最高、導(dǎo)電性最好且擁有強(qiáng)大靈活性的碳材料，人們對(duì)石墨烯在新技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用充滿了想象。華為、三星、蘋(píng)果和谷歌等巨頭開(kāi)始積累各種與石墨烯相關(guān)的專利，未來(lái)之戰(zhàn)已在實(shí)驗(yàn)室打響。
中國(guó)擁有最大的石墨烯研究隊(duì)伍，產(chǎn)業(yè)化工作正在如火如荼地進(jìn)行，全國(guó)各地也在紛紛興建石墨烯產(chǎn)業(yè)園。那么，中國(guó)目前石墨烯產(chǎn)業(yè)化情況如何？石墨烯材料的未來(lái)之路究竟在何方？
北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院教授，中國(guó)科學(xué)院院士、發(fā)展中國(guó)家科學(xué)院院士劉忠范給了我們答案。
01 石墨烯是什么？
《大國(guó)之材》：劉院士好，石墨烯被稱為“黑金”，是“新材料之王”，更有科學(xué)家預(yù)言石墨烯將“徹底改變21世紀(jì)”，請(qǐng)劉院士介紹一下石墨烯這種神奇的材料？
劉忠范：大家都知道石墨，石墨跟石墨烯只有一字之差，實(shí)際上石墨烯就是單層石墨片。把單層石墨片壘起來(lái)，壘到你可以看到就是石墨。而把石墨一層一層的剝下來(lái)，剝到最后就是石墨烯。石墨跟石墨烯的關(guān)系就是這樣。簡(jiǎn)而言之，石墨烯就是一種純碳材料，百分之百的碳材料，是具有代表性的二維材料，其形狀表現(xiàn)為蜂窩狀、六角形結(jié)構(gòu)的碳構(gòu)成的二維平面，就是石墨烯。
《大國(guó)之材》：請(qǐng)問(wèn)石墨烯材料有哪些優(yōu)越的性能，能在哪些領(lǐng)域應(yīng)用？
劉忠范：首先，石墨烯非常薄、導(dǎo)電性特別好。通俗來(lái)講，就是電子在石墨烯里面可以跑得非?？臁Ｊ﹥?yōu)異的導(dǎo)電性能也決定其是一種非常好的導(dǎo)電材料。
其次，石墨烯的導(dǎo)熱性特別好，理論上它的熱導(dǎo)率可以到5300W/(m·K)，而金剛石通常是2000W/(m·K)左右。石墨烯的導(dǎo)熱性是目前為止已知材料中最好的，運(yùn)用石墨烯的導(dǎo)熱性，可以用來(lái)做散熱膜；同時(shí)因?yàn)槭┙Y(jié)構(gòu)的特殊性，可以用來(lái)做發(fā)熱膜。比如國(guó)內(nèi)現(xiàn)在有用石墨烯作畫(huà)的，這個(gè)畫(huà)既可以用來(lái)欣賞，也有加熱的功能。
此外，因?yàn)槭?dǎo)電性好且表面積特別大，所以目前國(guó)內(nèi)比較多的做法是把石墨烯放到鋰離子電池中做添加劑。添加石墨烯后可以顯著提高鋰離子電池的性能、壽命以及循環(huán)次數(shù)。
值得一提的是，因?yàn)橐粚觾蓪拥氖┦峭该鞯?，又?dǎo)電又透明你會(huì)想到什么呢？可以做觸摸屏、觸控屏。目前市場(chǎng)上一般是用ITO來(lái)做觸摸屏，ITO作為一種玻璃，不能來(lái)回掰，而石墨烯的柔性特質(zhì)則決定其可以來(lái)回掰。
《大國(guó)之材》：請(qǐng)問(wèn)劉院士是什么時(shí)候開(kāi)始結(jié)緣石墨烯的，能否簡(jiǎn)單介紹一下目前團(tuán)隊(duì)已經(jīng)取得的成績(jī)？
劉忠范：其實(shí)我原來(lái)研究的就是碳材料，研究方向是碳納米管。我1998年開(kāi)始做碳納米管，2008年開(kāi)始研究石墨烯。
事實(shí)上，石墨烯跟碳納米管有很多相同之處，石墨片卷起來(lái)就是碳納米管，把碳納米管分開(kāi)、切開(kāi)就是石墨烯。自然而然，很多研究碳納米管的也就轉(zhuǎn)向研究石墨烯了，我也是其中之一。
當(dāng)年研究碳納米管時(shí)，做化學(xué)氣相生長(zhǎng)是我們比較擅長(zhǎng)的，所以在研究石墨烯的時(shí)候，我們很自然地也從化學(xué)氣相生長(zhǎng)開(kāi)始，也就是石墨烯薄膜的制備。
我們團(tuán)隊(duì)已經(jīng)在石墨烯薄膜制備領(lǐng)域做了很多工作，可以說(shuō)我們是石墨烯高質(zhì)量制備做得最好的團(tuán)隊(duì)之一。
02 正視石墨烯產(chǎn)業(yè)化現(xiàn)存問(wèn)題
《大國(guó)之材》：石墨烯作為一種新型材料，沒(méi)有相關(guān)經(jīng)驗(yàn)可以借鑒，請(qǐng)問(wèn)您和您的團(tuán)隊(duì)在研究石墨烯時(shí)遇到過(guò)什么問(wèn)題，又是如何解決的？
劉忠范：目前國(guó)內(nèi)號(hào)稱石墨烯薄膜的制備可以做到百萬(wàn)平米每年，但實(shí)際上制備出來(lái)的產(chǎn)品質(zhì)量還是比較差的。我們以一個(gè)簡(jiǎn)單的度量方式來(lái)看，單晶疇區(qū)越大質(zhì)量越好，性能也就越好。我們一直在試圖突破大的單晶薄膜，但這就意味著我們需要克服重重困難，從基礎(chǔ)研究、理論高度去思考，再?gòu)膶?shí)驗(yàn)及實(shí)踐層面來(lái)解決問(wèn)題。
我覺(jué)得我們最大的的突破就是把石墨烯展開(kāi)到玻璃上，我們叫超級(jí)石墨烯玻璃。我們可以在任意玻璃上（透明的或帶有顏色玻璃上）貼上一層石墨烯，我們叫超級(jí)石墨烯玻璃。
超級(jí)石墨烯玻璃的用途非常多，甚至我們認(rèn)為有可能改變傳統(tǒng)的玻璃行業(yè)。比如說(shuō)，我們都知道玻璃是絕緣的，放上一層石墨烯之后，它就變成導(dǎo)電的了；玻璃是不導(dǎo)熱的，放上一層石墨烯之后導(dǎo)熱加強(qiáng)；且貼一兩層石墨烯并不會(huì)影響到玻璃的透明性，但玻璃的實(shí)質(zhì)卻完全變了，我們可以利用石墨烯玻璃做觸摸屏、智能窗。
此外超級(jí)石墨烯玻璃還可以應(yīng)用在汽車領(lǐng)域，我們看到高端汽車玻璃后面會(huì)有很多線條，這些線條其實(shí)就是導(dǎo)電的電線。而如果用石墨烯玻璃就不需要這些導(dǎo)電線，因?yàn)椴ＡП旧砭褪菍?dǎo)電的。加上電壓之后就不需要貼膜了，它就可以除霜除霧，可以靈活調(diào)控變成深色或淺色。
這是我們團(tuán)隊(duì)發(fā)明的技術(shù)，但這之中也還面臨著非常多的困難，比如說(shuō)大規(guī)模制備、擴(kuò)大產(chǎn)能等問(wèn)題，但是我們對(duì)它充滿期待，相信石墨烯玻璃會(huì)成為一個(gè)著名品牌。
03 石墨烯未來(lái)之路在何方？ 《大國(guó)之材》：目前全球都在大力發(fā)展石墨烯，中國(guó)石墨烯產(chǎn)業(yè)發(fā)展得怎么樣？
劉忠范：中國(guó)在石墨烯產(chǎn)業(yè)化領(lǐng)域是走在世界前端的。這點(diǎn)可以從我們國(guó)家現(xiàn)在已建或在建的十七、八個(gè)石墨烯產(chǎn)業(yè)園就能明顯感覺(jué)到，包括常州、無(wú)錫、深圳、重慶、青島、哈爾濱等。國(guó)家政策以及各級(jí)政府都在大力推動(dòng)石墨烯的產(chǎn)業(yè)化。
相對(duì)而言，我們比較關(guān)注石墨烯產(chǎn)品，而歐美等國(guó)則更多地是在宣傳石墨烯技術(shù)，其實(shí)這只是處在不同的階段。我們一般把它分成A、B、C三個(gè)階段，初級(jí)階段是產(chǎn)品、中期是技術(shù)，到最后肯定是產(chǎn)業(yè)化。
目前我覺(jué)得我們國(guó)家關(guān)注比較多的還是產(chǎn)品本身，技術(shù)研發(fā)需要投入大量的資金，需要耐心。在這一點(diǎn)上，我們也在向國(guó)家各個(gè)部門(mén)呼吁，要從總體來(lái)布局。從先發(fā)優(yōu)勢(shì)上來(lái)講，中國(guó)石墨烯產(chǎn)業(yè)化是走在前列，但后期的長(zhǎng)久的優(yōu)勢(shì)則取決于我們關(guān)注什么，我覺(jué)得這個(gè)布局特別重要。不僅僅要關(guān)注現(xiàn)在，還要關(guān)注未來(lái)的技術(shù)和更偉大的產(chǎn)業(yè)。
《大國(guó)之材》：您覺(jué)得未來(lái)石墨烯最有可能在哪些領(lǐng)域率先實(shí)現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用？
劉忠范：我給石墨烯設(shè)計(jì)了三種未來(lái)：
第一個(gè)未來(lái)相當(dāng)于碳纖維。大家知道碳纖維可以應(yīng)用在航空航天上，做大飛機(jī)以及做飛機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)等，同時(shí)也應(yīng)用到低端的如釣魚(yú)竿、高爾夫球桿、自行車等領(lǐng)域。我相信石墨烯至少會(huì)像碳纖維那樣在各個(gè)行當(dāng)里面發(fā)揮它的優(yōu)勢(shì)。
石墨烯的第二個(gè)未來(lái)相當(dāng)于塑料。我們都知道塑料已經(jīng)應(yīng)用到我們生活中的方方面面，未來(lái)石墨烯也有這種可能。因?yàn)楝F(xiàn)在很多產(chǎn)品都已經(jīng)開(kāi)始添加石墨烯，包括國(guó)內(nèi)的石墨烯內(nèi)衣、石墨烯襪子等。
第三種未來(lái)是比較高端的，像硅材料、硅芯片。硅這種材料是一個(gè)時(shí)代的代名詞，就像歷史上的石器時(shí)代、青銅時(shí)代等，硅材料改變了我們的精神生活，沒(méi)有硅就沒(méi)有手機(jī)、計(jì)算機(jī)。未來(lái)石墨烯也有可能成為一個(gè)時(shí)代的代名詞，將來(lái)有可能取代硅，應(yīng)用在集成電路等領(lǐng)域，速度更快、更輕、可折疊、可穿戴。
以上就是我可以想象到的石墨烯的三種未來(lái)，無(wú)論是哪種未來(lái)的實(shí)現(xiàn)，都將對(duì)我們的國(guó)民經(jīng)濟(jì)、日常生活帶來(lái)非常大的影響。 |
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