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石墨烯产业发展现状与建议

作者:孙明娟 来源:新材料产业 发布时间:2016-01-11 浏览:
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中国储能网讯:一、石墨烯的应用现状

石墨烯是一种具有优异力学、热学和电学性能的新型碳材料。石墨烯材料的研发涉及国家高新技术材料的产业基础,产业关联涉及新材料、能源、环境、航空航天、国防等领域,对国家的发展起着重要作用,因此,各国政府积极支持石墨烯研发:欧洲联盟2013年启动投资10亿欧元的石墨烯旗舰计划;韩国和英国分别投入3.5亿美元、5 000万英镑进行商业化计划;中国在《新材料产业“十二五”发展规化》中,将石墨烯作为优先发展的前沿新材料之一。

石墨烯原材料的规模化制备是构筑石墨烯产业链的基础,对开发下游产品有着根本性的作用,对石墨烯的产业化发展起着承上启下的作用。石墨烯行业近几年呈井喷式发展态势,企业和产品已经如雨后春笋般大量出现。其中涉足石墨烯下游应用的企业逐渐增多,包括电子领域的高性能芯片、LED、柔性显示屏;能源领域的静电喷漆系统、高性能电池、超级电容器、太阳能电池;航空航天、海洋领域的防护涂料、复合材料、电磁屏蔽材料、隐型材料;环境领域的污水处理、海水淡化、大气污染治理;高强度橡胶、塑料,医药领域的药物输送、临床检测等。

自2010年石墨烯发现者获得诺贝尔物理学奖后已有4年时间,石墨烯规模化制备的技术瓶颈已逐渐突破,限制石墨烯行业发展的不再是石墨烯的规模性制备,而是如何让制备的石墨烯满足不同应用领域的需求,如何使石墨烯的高性能如高导电性、高导热性、高透光性在应用领域充分发挥。这是目前从事石墨烯材料的研究机构和企业共同面临一个关键性技术问题,同时也是石墨烯行业未来2~3年内需要突破的关键性瓶颈。

目前,国内各石墨烯相关企业纷纷在自身技术优势的基础上,开展石墨烯的下游应用,涉及的领域主要集中在锂电池、超级电容器、柔性显示屏、防护涂料、污水处理等几个方面。在这些应用领域中,水污染处理、功能性涂料、锂离子电池3方面的研究最多,也是目前石墨烯应用中较为成熟的领域。

1、水污染处理

相关数据显示,中国 600 多个城市都不同程度面临着水源地突发污染事件的威胁,存在水源地安全隐患。近期不断发生的重金属污染突发事件,如 2005 年珠江支流北江镉污染事故、2006 年湖南岳阳砷污染事件、2010 年福建紫金矿业重大污染事件、2011年匈牙利铝厂毒泥浆对多瑙河的污染、2012 年广西河池市镉污染事件,对应对突发性环境污染事件,有效彻底防治重金属对环境的污染提出了更高的标准。

2012 年初,石墨烯材料诺贝尔奖得主Geim教授研究发现氧化石墨烯薄膜可屏蔽除水之外所有其他分子,由此发现石墨烯可望用于制备过滤器材料,从而在海水净化、污水处理等方面有极大应用前景。2013 年初,洛克希德˙马丁公司投资1 500万美元开发用于海水淡化的石墨烯技术。石墨烯包覆沙砾可组装成过滤材料,其对汞的去除能力比其他吸附剂高5倍,石墨烯-磁性铁纳米粒子复合物用于从水中分离砷。因此,石墨烯有望在许多领域取代现有的碳吸附材料,成为 21 世纪最优秀的环境材料之一,在工业废水的治理、地表(饮用)水净化、贵金属冶炼与回收等方面得到广泛应用。

济宁利特纳米技术有限责任公司(以下简称“济宁利特纳米”)开发的水污染治理中处理重金属的产品具有以下3方面的优势。

①性能优势:对铅的吸附容量可达 1080 mg/g,是常规碳材料的7倍之多,吸附后重金属离子浓度可低至ppb级;②再生性能优势:吸附剂可重复使用50 次以上;③价格优势:开发的石墨烯吸附剂成本比离子交换纤维价格低,和部分鳌合树脂相当,但吸附容量是螯合树脂的2 倍以上。

2、石墨烯-功能性涂料

涂料是海洋船舶最主要的防腐防污手段,为了提高涂料的防腐性能,可在防腐涂料中加入具有鳞片状结构的云母粉或具有纳米结构的二氧化硅等填料,增强涂层的致密性,降低防腐涂层的渗透性能。但这些结构仅能提供物理防腐,达不到理想的防腐效果。为了提高涂料的防污性能,需在防腐漆中渗入对生物有毒的物质,这些物质会在船舶行驶过程中释放杀虫剂,对环境造成一定污染。因此,开发新型兼备防腐和防污效果的防污防腐涂料成为船舶漆发展中一个关键性科学技术问题。

石墨烯是由单层碳原子紧密堆积成的二维片层结构的新材料,具有优异的导电性能(电阻率为10-6Ω/cm)、高的径厚比(>200)以及薄的片层结构(<1nm),应用于防腐涂料中可发挥物理防腐和化学防腐2种优势,大大提高涂料的防腐性能。同时石墨烯还被证明具有抗菌性能,加入到防腐涂料中提高涂料的防污性能。

现在很多科研工作者都开始研究石墨烯在腐蚀方面的应用,一系列的研究成果表明石墨烯在腐蚀防护方面有很大的潜力。研究表明用1%(质量分数)的石墨烯代替50%(质量分数)的锌粉,可达到富锌环氧涂料相同的防腐蚀效果,同时还可以提高防腐蚀时间,另外,每吨涂料可以便宜1 000多元。用石墨烯制备的涂料涂覆在金属铜、镍表面,相比于裸铜,腐蚀速率减慢7倍,镍的腐蚀速率慢4倍,充分证明石墨烯在保护金属腐蚀方面巨大的潜力。同时,石墨烯的抑菌性被2010年美国科学家Akhavan等所报道,随后有关石墨烯抑菌性的研究便逐步开始。石墨烯与细菌直接接触时,石墨烯就像纳米级无比锋利的刀片直接通过机械损伤来破坏细菌膜结构;另一方面,由于石墨烯优良的电子传输特性使得石墨烯能够轻易改变细菌膜表面的电位,从而引起膜表面细胞呼吸、电子传输,信号传输等功能混乱,导致细菌体内生化异常以致死亡。

3、石墨烯-锂离子电池

锂离子电池由于具有输出电压高、比能量大、循环寿命长、安全性能优越、无记忆效应等优点,被广泛应用于便携式电子产品和通讯工具中,在这些应用中,除要求其具有大的比容量外,大倍率下的充放电性能也是极其重要的技术指标,为保持电池循环过程中良好的大倍率充放电特性和较长的使用寿命,需在电极中加入导电剂,以填补电极材料在嵌入、脱出锂过程中产生的空隙,保持电极稳定的导电性,但现有技术的导电剂,如导电碳黑或导电石墨,不能从根本上解决正极材料导电性能差的问题。

石墨烯作为一种新型的碳质材料,其碳原子最外层电子通过sp2杂化形成大π键,存在大量可以自由移动的电子,是一种优良的导电剂,以石墨烯为导电剂添加到锂离子电池正极材料中,可以在正极材料中形成一个体积电阻率很小的导电网络,明显改善正极材料的导电性能,显著提高电池的充放电效率和循环寿命。

二、石墨烯产业状况

1、国内外产业状况

作为世界高技术发展的战略制高点,石墨烯的产业化发展引起世界各国的高度关注。欧盟于2013年将石墨烯列入“未来新兴旗舰技术项目”,在10年内资助10亿欧元用于研发;2011年,英国政府在《促进增长的创新与发展战略》中把石墨烯作为国家今后4个重点发展方向之一,投入5 000万英镑支持石墨烯研发和商业化应用研究;韩国政府投入研发费用14亿美元,把石墨烯材料及产品定为未来革新产业之一,2013年,韩国产业通商资源部宣布在未来6年内,投入4 230万美元,帮助企业实现石墨烯的应用产品和相关技术商业化。英国、韩国均把石墨烯作为国家的重点发展方向和未来革新产业,投入大量研发费用。2014年,中国“863”项目指南专门支持石墨烯项目;国家领导人批复发展和改革委员会和国家科技部进行相关的调研,准备出台相关发展政策。

2013年,中国石墨烯产业技术创新战略联盟和山东省石墨烯产业技术创新战略联盟相继成立。2011年,江苏常州市投资5000万,成立江南石墨烯科技产业园。宁波市2013年拿出9000万专项基金,用于石墨烯的产业化扶持。青岛、济宁等地的石墨烯产业园、产业联盟及创新基地纷纷成立,积极推动石墨烯产业链的发展。据业界专家预计,中国石墨烯产业规模将达万亿元。

各地政府对石墨烯产业发展表现出极大的热情。宁波市设立了“石墨烯产业化应用开发”专项资金,每年安排3000万元,3年共9000万元,用于支持“石墨烯产业化应用开发”实施单位的技术创新、产品研发和试制推广。无锡市也提供了2亿元的资金扶持,并出台了《无锡石墨烯产业发展规划纲要》,用以支持石墨烯产业的发展。青岛市高新区、济宁市化工园区也相继出台了支持发展石墨烯产业的发展规划纲要。

2014年9月1-3日,在宁波召开的2014中国国际石墨烯创新大会,吸引了国内外众多高校、科研院所、企业的积极参与,引发又一轮的石墨烯研发应用热潮。

2、山东省产业状况

早在2010年夏,济宁利特纳米在山东省科技厅、济宁市科技局和济宁市高新区的大力支持下,结合国外留学人员技术和资源优势,筹划发展石墨烯产业化项目,成为国内涉足石墨烯行业最早的单位。2013年,利特纳米的氧化石墨烯重金属治理项目获得科技部国际合作基金的支持;2013年12月,在山东省科技厅大力支持和帮助下,济宁利特纳米牵头、联合山东省内的石墨烯产业化的主要产学研单位以及上下游企业,共同发起成立“山东省石墨烯产业技术创新战略联盟”,由山东大学、青岛大学、济宁利特纳米、济南墨希新材料科技有限公司、山东企鹅塑料集团有限公司、济宁市无界科技有限公司、山东大展纳米材料有限公司等大学和企业组成的创新联盟,通过推进石墨烯生产企业和应用企业的紧密合作,通过产学研结合、创新运营机制、瞄准市场方向,集中力量、抱团发展,寻求石墨烯产业的重点突破,在山东省范围内形成从石墨烯原材料生产到下游示范应用的完整产业链,构建省级石墨烯新材料产业集群。

三、发展瓶颈

虽然石墨烯材料的上游制备和生产技术取得了较快发展,但石墨烯材料的下游应用技术开发还有系列问题需要解决。

1、下游产业发展处于起步阶段,急需金融扶持

石墨烯下游产业方面基本上以中小企业为主,这些企业有使用石墨烯新材料的需求和热情,但缺乏足够的实力。目前,济宁利特纳米生产的石墨烯材料基本都是无偿提供其他企业研发使用。每年仅此一项的投入接近60万~100万元,目前都是由企业自己贴补。随着应用研发的不断深入,石墨烯用量将大幅度增加,这会对石墨烯生产企业的经营状况造成严重影响,进而极大限制了石墨烯在应用领域研发和推广的速度。在石墨烯的金融扶持方面,宁波市的现有做法值得借鉴。宁波市政府每年拿出3000万的资金用于补贴企业除员工工资外的工业化研发、设备、材料、分析测试等费用,支持大约6~9家研发单位从事石墨烯下游产品开发,吸引了包括宁波市在内的多家新材料企业。

2、大型实验仪器短缺

目前,石墨烯下游应用产品的开发需要购置大型实验仪器。这些仪器不仅购置和维护的费用昂贵(例如,透射电子显微镜的价格在600万人民币左右),操作和管理上也需要有专业人员负责,如果由各个企业和研发机构自行解决,一方面在资金上存在较大困难,另一方面也会造成重复建设和资源浪费。目前,江苏泰州和常州分别建立了各自的检测平台。

3、管理人才及科研队伍建设

石墨烯产业的发展亟需纳米材料领域高科技人才,很多石墨烯企业处于创业的初期,如何吸引人才、留住人才是石墨烯产业发展的关键问题。

四、对我国石墨烯未来发展的建议

1、加大金融支持力度

由于石墨烯行业属于新型、快速发展的行业,具有技术更新快、生命周期短、技术升级换代频繁的特点,需要企业准确把握技术发展趋势,不断推出新产品和提升服务水平,抓住市场机遇,满足市场需求,保持自身的竞争力。但技术更新需要大量的研发投入,资金不足往往成为企业面临的瓶颈,制约服务行业整体的发展。

一方面需要企业做好市场调查与预测,做足预算,考虑详尽;根据项目进度和筹资方式,编制资金使用计划,以便有效使用资金;加强企业管理、节俭办事,向管理要效益;争取国家优惠政策和资金上的支持;争取银行贷款;多方筹措资金、广开财源。

另一方面需要政府加大对石墨烯系列产品研发、生产以及应用的扶持力度。积极探索石墨烯系列新产品的政府首购、采购政策,对下游应用企业生产的新产品,符合政府采购需求条件的,优先予以首购或采购,示范带动全社会使用石墨烯新产品。同时,政府对获得上级政府部门支持的石墨烯研发项目进行适当比例额的配套支持。

2、鼓励高校院所和石墨烯企业协同创新,高端复合型人才共享

石墨烯行业的快速发展,需要不同领域、不同背景的高科技人才的加入。随着产业建设规模的扩大和新产品、新技术的应用,新材料与电子领域已经完全融合在一起,该产业的发展对于复合型高端人才的需求越来越多,而国内复合型高端人才在现阶段不能满足服务需求,造成复合型高端人才缺乏。在推进石墨烯产业化进程中,企业和高校需转变思路,加强产学研结合,引进、培养高层次应用型研发人才,特别是引进海内外石墨烯产业链上某一学科或技术领域的带头人,通过人才引进加速推进石墨烯产业的发展。

3、加强对石墨烯系列产品的市场推介

整合全链条上的企业,通过合作研究、共同开发、产业升级等形式,强化上下游企业的有效合作,提高社会认知度。目前,济宁利特纳米以企业自身优势为契机,借助创新战略联盟、创新基地、工业园区等系列平台,与电子、新能源领域等多家资深企业形成深度战略合作伙伴,制定清晰的品牌战略目标。立足石墨烯行业,以强大的战略愿景为指导,一步步走向卓越。

加快新产品的开发速度,力争使本产品尽快打入市场,此时市场竞争对手少,有利于迅速占领并扩大市场;提高新产品的市场适应能力,针对市场需求来调整产品结构,增加适销对路的服务产品;建立一套能够迅速对市场信息进行反馈的机制,迅速了解供需、价格等市场信息;突出技术创新性,使产品具有良好性价比,增强市场竞争能力;加强宣传力度,扩展宣传面,使新产品和服务能尽快让用户认知。

关键字:石墨烯

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