爭奪石墨烯-商業(yè)化前景分析中文版

1、爭奪石墨烯：商業(yè)化競賽號(hào)稱神奇材料的石墨烯是全球科學(xué)家和工程師們的一個(gè)主要焦點(diǎn)。自從首次被兩名俄羅斯物理學(xué)家分離出來之后的 10 年里，被稱為“石墨烯”的單原子厚度碳同素異形體一直被宣稱是“材料”，可以用于包括電視屏幕到網(wǎng)球拍再到超吸附性織物的一切事物。 讓科學(xué)家們對(duì)石墨烯感到激動(dòng)萬分的是它的各種驚人的物理屬性，其中一些屬性在圖 1 中列出。石墨烯獨(dú)一無二的柔韌性和輕盈性以及高于常用材料的出色的導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性，為科學(xué)家和工程師們提供了無數(shù)個(gè)研發(fā)機(jī)會(huì)，其中最著名的機(jī)會(huì)之一就是探索經(jīng)濟(jì)上可行的石墨烯生產(chǎn)工藝。雖然石墨烯的應(yīng)用似乎無窮無盡，但是它對(duì)電子產(chǎn)品（尤其是消費(fèi)電子品）的影響正在獲得的最高度關(guān)

2、注。但是，這種材料也很有可能成為許多其他行業(yè)的解決方案。本文闡述了化學(xué)工藝行業(yè)（CPI）中石墨烯的一些潛在用途，包括生物和化學(xué)傳感器、水凈化和脫鹽、能量和熱界面材料。本文還研究了一些創(chuàng)新的石墨烯生產(chǎn)工藝。歐洲認(rèn)識(shí)到了石墨烯的性潛力，并且于 2013 年 10 月啟動(dòng)了一項(xiàng)名為“石墨烯旗ip.eu）。石墨烯旗艦計(jì)劃旨在為了石墨烯基技術(shù)和產(chǎn)品的艦”的計(jì)劃（研究和商業(yè)化促進(jìn)產(chǎn)學(xué)研合作。這項(xiàng)投資額達(dá)到 10 億歐元的計(jì)劃由 17 個(gè)國家的企業(yè)和高校組成，這些企業(yè)和高校在未來的 10 年里將開發(fā)石墨烯基產(chǎn)品和材料的原型。大學(xué)納米技術(shù)教授（英國，）、石墨烯中心兼石墨烯旗艦計(jì)劃執(zhí)行Andrea C. Fer

3、rari 強(qiáng)調(diào)說，石墨烯旗艦計(jì)劃的一個(gè)關(guān)鍵方面就是，它不僅著眼于純石墨烯，而且還專注于整個(gè)石墨烯相關(guān)材料系列（由 500 多種分層材料）。石墨烯旗艦計(jì)劃的各個(gè)成員正在生產(chǎn)溶液、分散質(zhì)和聚合物形式的石墨烯，而且可以根據(jù)具體的形式針對(duì)眾多應(yīng)用按噸、升或平方米為制造石墨烯。Ferrari 認(rèn)為，石墨烯旗艦項(xiàng)目范圍廣泛，包括非常接近商業(yè)化的應(yīng)用以及未來 10 多年才可能實(shí)現(xiàn)商業(yè)化的應(yīng)用。他說，最接近商業(yè)化的一些應(yīng)用涉及到石墨烯復(fù)合物在撓性、可彎曲或可佩戴電子產(chǎn)品中的應(yīng)用。 圖 2 顯示了石墨烯旗艦計(jì)劃針對(duì)各種應(yīng)用的預(yù)計(jì)商業(yè)化進(jìn)展的詳細(xì)時(shí)間表。石墨烯的偉大之處：圖 1：石墨烯的獨(dú)特而且豐富的優(yōu)良屬性能夠

4、在各個(gè)行業(yè)中提供前所未有的解決方案圖解：有效導(dǎo)電性堅(jiān)固耐用無限芳香結(jié)構(gòu)一個(gè)原子厚度比鋼鐵更堅(jiān)固、更輕盈防水卓越的導(dǎo)熱性與光充分相互作用撓性100%純碳二維結(jié)構(gòu)幾乎透明化學(xué)成分的簡單添加輕氣體無法能量及其他與石墨烯旗艦計(jì)劃有關(guān)的團(tuán)體之一決定在一種新型的石墨烯生產(chǎn)工藝中利用石墨烯的傳導(dǎo)性。 在 2012 年首次組建的一個(gè)研究合作項(xiàng)目中，特種化學(xué)品公司 Thomas Swan & Co（英國康；uk）和三一學(xué)院高級(jí)材料和生物工程（AMBER）中心）著手開發(fā)一種簡單的可擴(kuò)展的石墨烯制造工藝。他們的研究（愛爾蘭都柏林，結(jié)果產(chǎn)生了一種采用簡單的工業(yè)攪拌器的液相高剪力剝落工藝。Thomas Swan & C

5、o 公司高級(jí)材料部的商業(yè)主管 Andy Goodwin 解釋說，這項(xiàng)工藝產(chǎn)生了缺陷很少的石墨烯納米片?！皠兟涫且粋€(gè)物理過程，因此，沒有觀察到 sp2 碳小片發(fā)生氧化或損壞的情況。結(jié)果得到了缺陷率很低、導(dǎo)電性特別高的石墨烯納米片?！盙oodwin 說。 剝落工藝的簡潔性使得它成為了高成本石墨烯生產(chǎn)領(lǐng)域中的一種獨(dú)一無二的而且特別可行的方案。 “這一過程沒有采用腐蝕性化學(xué)品、超聲波、高壓力或者高溫?？梢詴?huì)用各種溶劑。顯然，傾向于使用水。”Goodwin 說。Thomas Swan 公司擁有該技術(shù)的獨(dú)家。2014 年 4 月，Thomas Swan 公司開始在位于英國康的初始示范工廠以Elicarb

6、的商業(yè)名稱小批量生產(chǎn)和銷售石墨烯。 該公司預(yù)計(jì)，到 2014 年末，該示范工廠將達(dá)到每天 1 千克的石墨烯生產(chǎn)能力。Elicarb 石墨烯是粉狀或水/溶劑分散質(zhì)產(chǎn)品，由石墨烯小片，深度為5 到 7 個(gè)碳層，平均 X-Y 小片尺寸大約為 1000 納米（nm）。圖 3 顯示了 Elicarb 石墨烯粉末的 8 張透射電子顯微。這種材料的標(biāo)志性特點(diǎn)之一是各批次之間的顆粒尺寸一致。2014年 4 月，該公司在柏林舉辦的歐洲印刷電子產(chǎn)品展覽上首次推出了 Elicarb，而且計(jì)劃利用石墨烯的卓越導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性，針對(duì)電容器、電池、屏障和分離器、導(dǎo)電油墨以及熱管理應(yīng)用定制這種材料。石墨烯旗艦項(xiàng)目應(yīng)用的預(yù)計(jì)商

7、業(yè)化時(shí)間圖 2： 石墨烯旗艦計(jì)劃涉及到處于許多不同的開發(fā)和商業(yè)化階段的項(xiàng)目另外一個(gè)負(fù)責(zé)石墨烯能量傳導(dǎo)性研究的團(tuán)體將目光投向了研究倡議下建立的一個(gè)合作項(xiàng)目中（UK-LERI，能應(yīng)用。在英國-教育與），大學(xué)（英國，）、塔塔鋼鐵公司（孟買，）和大學(xué)（，）正在研究能夠?yàn)樘岣吣芰可珊偷於ɑA(chǔ)的石墨烯基碳納米材料。他們主要研究石墨烯材料是否能夠幫助克服傳統(tǒng)能光伏系統(tǒng)的一些：開發(fā)成本以及能量生產(chǎn)和能耗之間的相位失配。該團(tuán)體宣稱，石墨烯的傳導(dǎo)性、表面積和形狀因數(shù)是可以利用的屬性，可以針對(duì)能量和收集而改造。該團(tuán)體的先進(jìn)能電池稱為“有機(jī)物中的無機(jī)物”由大面積石墨烯材料，這些石墨烯材料與雙極鋼板對(duì)接（圖 4）。通

8、過將石墨烯納米材料整合到現(xiàn)有能量生產(chǎn)中，可以直接評(píng)估在這些板上建造能發(fā)電系統(tǒng)的可行性。 這項(xiàng)研究還研究了鋼底板和石墨烯材料之間的接口。 此外，項(xiàng)目還涉及到通過各種方法實(shí)現(xiàn)大批量電池生產(chǎn)和加工的經(jīng)濟(jì)性。能傳感石墨烯另 外 一 家 開 始 以 更 大 規(guī) 模 生 產(chǎn) 石 墨 烯 的 公 司 是 石 墨 烯 前 線 公 司 （ 費(fèi) 城 ，），該公司 2013 年 8 月獲得了國家科學(xué)（NFS，弗吉尼亞州，）的贈(zèng)款，這筆贈(zèng)款有助于將該公司的創(chuàng)新石墨烯生產(chǎn)工藝從批量生產(chǎn)轉(zhuǎn)變?yōu)檫B續(xù)生產(chǎn)。 石墨烯前線公司主要針對(duì)專業(yè)生物傳感器的應(yīng)用而創(chuàng)造大面積石墨烯，該公司生產(chǎn)的石墨烯片通常尺寸為 5-12 平方英寸，但是

9、公司希望國家科學(xué)的贈(zèng)款不僅能夠提高生產(chǎn)能力和降低運(yùn)營成本，而且還能夠讓他們創(chuàng)造出更大的石墨烯片。與其他石墨烯生產(chǎn)工藝一樣，石墨烯前線公司采用了化學(xué)蒸汽沉積（CVD）技術(shù)，但是它的工藝尤其特殊，因?yàn)檫@種工藝可以在 CVD 高爐中在大氣壓力下實(shí)施（圖 5），而不是在真空中實(shí)施，從而可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)卷軸式生產(chǎn)。 石墨烯前線公司高級(jí)產(chǎn)品經(jīng)理Paige Boehmcke 解釋說，與其他企業(yè)的石墨烯 CVD 生產(chǎn)工藝相比，真空要求的消除有助于降低成本。Boehmcke還表示，石墨烯前線公司位于費(fèi)城的工廠預(yù)計(jì)在未來 15 個(gè)月內(nèi)實(shí)現(xiàn)商業(yè)級(jí)的連續(xù)生產(chǎn)，預(yù)計(jì)生產(chǎn)成本低于 0.01/平方厘米石墨烯。 石墨烯前線公司生

10、產(chǎn)的生物傳感器（如圖 6中的測(cè)試矩陣中所示）只有 10 微米寬，是具有石墨烯信道（而不是傳統(tǒng)的硅信道）的場效應(yīng)晶體管。受體分子可以直接連接到石墨烯信道上。連接的抗原的濃度可以用這些傳感器通過信號(hào)分析來確定，因?yàn)橥ㄟ^晶體管的電流被受體的結(jié)合活性改變。 石墨烯的二維性質(zhì)使得這些傳感器對(duì)結(jié)合特性超級(jí)敏感，Boehmcke 解釋說，而且使得它們能夠在很低的濃度下正常運(yùn)行。 石墨烯前線公司正開始與一些公司簽署協(xié)議，將其生物傳感器商業(yè)化。 石墨烯前線公司處于初期開發(fā)階段的產(chǎn)品還有石墨烯基化學(xué)傳感器，這種傳感器可以用于空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)、危害識(shí)別和許多其他功能。圖 3：Elicarb 石墨烯粉末的 8 張透射電子

11、顯微顯示了典型的石墨烯納米片大學(xué)圖 4：大學(xué)先進(jìn)技術(shù)生產(chǎn)出了采用碳納米技術(shù)的大面積（39 平方厘米）有機(jī)能電池模塊石墨烯前線公司圖 5：石墨烯前線公司生產(chǎn)工藝中采用的 CVD 高爐在大氣壓力下運(yùn)行脫鹽和凈化石墨烯在電子領(lǐng)域之外最具發(fā)展前景的用途之一就是水凈化和脫鹽。由于其內(nèi)在結(jié)構(gòu)和疏水性，石墨烯作為一種多孔材料勒理工學(xué)院（RPI，紐約特洛伊，極好的選擇性， 即使對(duì)于極小的顆粒也是如此。）的一個(gè)研究小組與橡樹嶺國家（ORNL，田納西州橡樹嶺，）合作實(shí)施了一個(gè)目標(biāo)遠(yuǎn)大的計(jì)算建模項(xiàng)目，目的是評(píng)估石墨烯材料是否適合用于凈化用途，尤其是脫鹽用途。正在研究的具體材料是石墨烯氧化物框架（GOF）這是一類由石

12、墨烯氧化物層的納米多孔材料，這些氧化物層通過支柱的關(guān)聯(lián)而被共價(jià)關(guān)聯(lián)起來，理工學(xué)院物理學(xué)教授 Vincent Meunier 解釋說。Meunier 與橡樹嶺國家的博士后研究員 Adrien Nicolai 和 Bobby Sumpter 合作，一直在研究這些支柱單元（由線性硼酸，通常長度為 1 到 2nm）如何在石墨烯氧化物層之間配置，以“調(diào)整”石墨烯氧化物框架的屬性滿足脫鹽應(yīng)用的需要。 “通過選擇適當(dāng)?shù)沫h(huán)節(jié)濃度，可以調(diào)整石墨烯氧化物框架材料的一大組幾何參數(shù)，比如孔隙體積?！盡eunier 說。這種多功能性使得石墨烯氧化物框架尤其適合各種水過濾工藝，以及化學(xué)處理、制藥和生物行業(yè)中的許多其他超濾

13、應(yīng)用。在他們的基于模擬的研究中，他們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)水通過 GOF薄膜時(shí)，幾乎所有的鹽離子都被去除，而且去除的速度比普通的反滲透薄膜的速度快很多（圖7）。圖 6. 一組石墨烯場效應(yīng)晶體管基傳感器正在采用一個(gè)四點(diǎn)探針進(jìn)試圖 7.由鹽離子和氯離子（在圖中分別以大的藍(lán)色和綠色球體表示）代表的鹽存在與 GOF薄膜（黑色）左側(cè)的水中（紅色），但是當(dāng)水通過 GOF 薄膜時(shí)，鹽被去除。這項(xiàng)模擬研究的下一步時(shí)研究石墨烯氧化物框架的機(jī)械穩(wěn)定性以及結(jié)構(gòu)缺陷對(duì)其脫鹽能力的影響。 而且，石墨烯氧化物框架的生產(chǎn)工藝必須要進(jìn)一步評(píng)估，從而確定其是否可以用于工業(yè)化生產(chǎn)。 總之，Meunier 和 Nicolai 很樂觀，他們表示：

14、“雖然可能會(huì)出現(xiàn)一些技術(shù)問題，但是鑒于中制造的現(xiàn)有材料的質(zhì)量，石墨烯氧化物框架更大規(guī)模的過濾能力的實(shí)際實(shí)施還是很有希望的。”石墨烯接地雖然石墨烯為性技術(shù)突破帶來了許多機(jī)會(huì)，但是其生產(chǎn)和使用仍然存在著許多未知數(shù)。除了幾乎每天都會(huì)關(guān)二維材料的的石墨烯新用途之外，還有一些知名項(xiàng)目正在研究石墨烯及其相影響。加州大學(xué)河畔分校（加利福尼亞州河畔市，）有關(guān)石的廣泛關(guān)注。同樣edu）和萊斯大學(xué)墨烯氧化物在水中的穩(wěn)定性以及潛在不利的研究結(jié)果引起了州亞特蘭大市,引起廣泛關(guān)注的還有（休斯頓，理工大學(xué)（的一份）闡述了石墨烯中可能存在的缺陷、結(jié)構(gòu)弱點(diǎn)和脆性，告誡制造商必須充分評(píng)估材料的特定用途，然后才能夠開展大規(guī)模生產(chǎn)。大學(xué)（羅德島州普羅維登斯，）醫(yī)學(xué)院一直在研究醫(yī)療器械中使用的石墨烯材料的細(xì)胞毒性。另外，人們也對(duì)石墨烯材料的許多產(chǎn)品可能具有內(nèi)在的不可降解性。末期回收處理方案表示擔(dān)