石墨烯的開采與應用

崔雪健 劉恩彤 康熠琳 楊奕欣 龍曉瑩

(哈爾濱商業大學，黑龍江 哈爾濱 150000)

1 石墨烯的提取與合成

1.1 固相法

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

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、產量高，但產物有缺陷。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下利用催化劑分離，這里用了一定的氧化還原反應，除了氧化還原放應外，也可以采用石墨烯溶解于有機溶液例如苯，酮的物質也可以分離一定的的石墨烯薄膜。

1.3 化學氣相沉積法

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，化學氣相沉積法的優點在于可以生長大面積、高質量、均勻性好的石墨烯薄膜。但缺點是成本高工藝復雜存在轉移的難題，并且生長出來的一般是多晶體。

2 石墨烯的性能

石墨烯具有優良的物理性能，如：良好的導電性能，極好的強度和透光性，等。

2.1 電學性能

石墨烯的電學性能受其六邊形層狀對稱性影響。在翻轉對稱的石墨烯超晶格中可以觀察到拓撲電流。其拓撲電流促使電子的反轉，使得其電子可以自由地移動，從而實現導電性，并且這種導電性耗能極少，這也使的電流能最大化的輸出而不損耗，并且其性價比很高的緣故使得可以成為新型控電材料。說到半導體，就不能不提到硅元素，其中硅的電子價態與石墨烯的碳類似，但是因為石墨烯價電子比較穩定而且也比較簡單，并且其電子的電能因為其獨特的性質不會被損耗，所以石墨烯的導電性要優于其他半導體的產品。

2.2 光學性能

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 進行計算獲得，其中G=e2/4?石墨烯透明導電膜對于包括中遠紅外線在內的所有紅外線的高透明性，是轉換效率非常高的新一代太陽能電池最理想材料，并且因為其獨特的電子價態結構，使得對光的吸收度和空間飽和度有這驚人的穩定系數，這也使得其透光性有其他半導體材料不可多得的優勢。

2.3 力學性能

石墨烯的力學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，強度σint=130GPa。石墨烯的強度比普通鋼材高出100 倍，在結構材料領域具有廣闊的應用前景。

3 石墨烯的應用

3.1 石墨烯新型鋰電池負極材料

石墨烯電池主要運用其鋰離子在石墨烯表面會吸附大量的負電子從而具有其導電性，從化學角度來說實際上是一個陰陽離子在電極中“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品的三倍，用此電池提供電力的電動車最多能行駛1000 公里，而其充電時間不到8 分鐘。這使得現今存在的電能存儲技術得到了歷史性的突破。

3.2 力學應用

通過其分子動頻率和頻譜分析，其力學性能有著顯著的優勢。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。因為其具有碳的吸附性，因此石墨烯也具有一定的吸附性，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電子，這因此會使其拉伸能力大大增加。石墨烯的熱力學穩定性要超過其他產品，作為力學性能優異的非金屬材料，石墨烯可作為新型二維增強材料的基礎。

3.3 基于選擇透過性的應用

大部分物質都不能從完美的石墨烯透過，但是因為石墨烯是碳碳單層結構，這使得石墨烯沒有很強的致密性，其受溫度和價電子的影響，使得它與細胞膜類似具有一定的選擇透過性，并隨著其層數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現CO2和H2的選擇性分離，且能保證很高的透過性。

4 國內石墨烯產業開發現狀

雖然石墨烯有這么多的優勢和特點，但是他的劣勢也十分突出，它的開采和轉移的難度是十分明顯的，并且提取提煉的方式不環保也是現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，雖礦產豐富但缺乏技術上的支持與改革，所以無法成為新興產業，無法發展當地的經濟，這對于科技發展是一大損失。石墨烯屬于新材料產業，這個產業有三高、三長(難度高、投入高、門檻高，研發周期長、驗證周期長、應用周期長) 的特色，比別的行業要花的資源和精力要更多一些，更不適合新創企業來進行。

由于新材料行業具備“多、小、散、慢”的特點，在新材料產業發達的國家，行業技術變革主要依靠中小企業。但在國內，當互聯網紅利期結束后，投資機構將目光投向新材料，試圖去挖掘、培育這個領域的獨角獸公司時，卻面臨行業技術門檻高、回報周期長、核心技術真假難辨等因素，都是讓投資機構卻步不前的主因。根據統計，在投資機構的投資案例比例中，三分之一以上的發生在天使輪即項目前期研發階段，在新材料領域只有2%左右。一旦缺少資本的力量，企業沒有足夠的彈藥攻占技術制高點，沒有核心技術又無法真正實現產業升級，進而就無法實現資本上的提升。

其實，石墨烯產品即使是普及了，并且很多石墨烯產品還是很完善可靠的。但有個關鍵點必須突破，那就是好的石墨烯太貴，無法在成本上有優勢。同時，質量差的石墨烯沒有效用。因此對開發和投資者形成兩難格局。不過，這些現象會隨著技術開發的深入被一一改善，高性價比的石墨烯產品在陸續問世。

石墨烯產業開發的最大瓶頸在“無知”。這個無知普遍出現在科研轉化過程中。科研人員急于期待實驗室成果可以實現量產；而企業界不愿投資，雖顯示出強大的市場價值，但仍在基礎研究階段的項目，這些都是目前石墨烯無法產業化的主因。我們可以用個簡單的邏輯去判斷，如果石墨烯在微觀上表現優異，而宏觀上卻無法突顯其優勢，其中的原因既有科研工作還需要進一步拓展，也有市場的認知應該更深入，同時應用開發的力度還應該更大。

5 結語

綜上所述，對于石墨烯產業，新創企業或者中小企業扶持重點依然是“資金”和“加速應用”，讓他們能夠生存下來。現在出臺的新材料保險和示范應用平臺的政策都是為了加速應用而采用的政策，雖然我認為打鐵還需要本身強，只有通過市場的考驗才能永續經營。對于石墨烯產業，打造核心應用技術的任務還是交給有研發實力的民企來進行，因為他們是針對“市場需求”而立項的，也就是知道為何而戰！高校院所是要成為他們技術創新的支撐，因為民營企業在"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，那核心技術就能夠長期有效地打造起來，再通過打造不同核心技術的企業示范創新中心，讓更多民營企業愿意并持續進行核心技術的打造，承接國家核心技術的打造的任務，才能真正解決科研成果轉化難的痛點。