刘忠范：石墨烯产业切勿重演大炼钢铁运动

发布时间：2016年12月20日 14:02来源：智能制造网编辑：一不做人气：36049

　　必经之路：标号石墨烯薄膜

　　标号石墨烯薄膜

　　标号石墨烯薄膜是石墨烯产业发展的必经之路。不断提升石墨烯材料的质量，无限接近理想状态，是石墨烯产业发展的基础和原动力。实际上，从2009年的篇石墨烯生长文章至今，已逾七年时间。尽管大家还没有提出这样一个概念，但是一直在朝着这个方向努力。

　　例如，单晶畴区尺寸，初只有十微米左右，现在可以做到一英寸左右的大小，而且还有很大的提升空间。可以想像，随着畴区尺寸的增大，性能也逐渐提升，用途自然越来越广阔。在铜箔表面生长石墨烯，是一大堆单晶畴区拼接起来的多晶薄膜，就像一件破衣服。利用表面工程学方法，用三聚氰胺把铜箔表面的活性中心钝化，这样就可以大幅度减少成核中心的数量，从而长出厘米尺寸的大单晶石墨烯来。载流子迁移率是表征石墨烯质量的好办法。通常石墨烯薄膜的迁移率做到5000以上就不错了，我们的三聚氰胺钝化技术可以做到16000以上，质量非常高。

　　快速生长也是制备高质量标号石墨烯薄膜的重大挑战。“慢工出细活”，要想长得好，通常就得慢慢长。我们发明了梯级供料和成核后钝化技术，大幅度提高了动力学率，这样毫米级的单晶生长速度可以比普通方法快五十倍。利用我们发明的空间限域生长技术，可以进一步提高碳源分解速度，使得生长速率达到每分钟三百微米。

　　我们不仅仅满足于实验室规模的石墨烯生长，还在致力于发展规模化的批量制备技术。这是我们的第二代生长装备，每台年产能可达两万平方米。

　　长在铜箔上的石墨烯薄膜，使用时需要剥离下来转移到其他支撑衬底上，例如塑料薄膜上。这件事情也不容易，因为就一两个原子层厚度。我们也在做各种各样的尝试，我们发展的卷对卷转移技术可以实现规模化的转移，而且利用热水即可，绿色环保。

　　石墨烯材料的新星：三维粉体石墨烯

　　三维粉体石墨烯其实我们已经做了好几年，或许会成为石墨烯材料领域的新星。

　　什么叫做三维粉体石墨烯呢？

　　实际上，传统的粉体石墨烯含有氧、氢、氮等很多杂原子，并不是严格的纯碳石墨烯，质量很差。尽管成本比较低，但是环境污染非常严重，产生大量的废液。另外，粉体石墨烯在使用时通常需要分散到液体中，由于很强的片层之间的相互作用，特别容易团聚，这也是粉体石墨烯应用的技术挑战。

　　那么能不能设计一个非平面的具有微结构的石墨烯微片呢？答案是肯定的，我们已经实现了这样的目标。这种三维石墨烯粉体显著降低片层之间的相互作用力，从而获得非常好的溶液分散性和溶液加工能力。

　　我们用硅藻土作为化学气相沉积的模板，直接生长石墨烯粉体。硅藻土是由硅藻细胞壳构成的，有几十微米大小，上面有很多从几十纳米到几百纳米不等的微孔。我们在硅藻土上生长出来的石墨烯微盘能够地复制这些微结构，从而形成三维粉体石墨烯。这种粉体石墨烯的溶液分散性非常好，这和我们的预期完全一致。我们也尝试用这种三维粉体石墨烯做电子墨水，导电性比常规粉体石墨烯提高一个数量级。

　　这样的思路是否可以扩展到其它体系呢？我们想到了食盐。白色的食盐(上图)长出石墨烯后，往水里一搅和就可以分散开，然后可以把食盐扔掉。我想强调的是，长出来的石墨烯是一个一个的小立方体，因此分散性也非常好。实验表明，这种粉体石墨烯吸附性非常强，可以用于净化污水。

　　还有，利用墨鱼骨生长石墨烯(上图)。墨鱼骨是生物碳酸钙，把它处理以后在上面长石墨烯，之后用盐酸一洗就可以了。

　　再就是海贝壳(上图)，利用同样的反应控制好了以后不仅可以长出粉体石墨烯，还可以制备海绵状泡沫石墨烯，非常轻，而且很柔韧。因为不同结构的模板上长的不一样，所以结构是可调的。大的优点是分散性和吸附性特别好，几十秒就可以完全吸附掉油污，吸附能力是自身重量的二百五十倍以上。

　　石墨烯产业

　　我们再来看看未来的石墨烯产业前景。我从不怀疑石墨烯产业，未来的石墨烯产业会是一块大大的蛋糕。当然，这块蛋糕我们能够切到多少是个未知数。取决于我们现在关注什么，我们需要关注的是未来的核心技术，而不仅仅是今天的产品。当然，从一个实验室材料和技术走到产业需要很长的路，需要投入、坚持和耐心。

　　中国拥有庞大的石墨烯研究队伍，但是非常分散，基本上是小作坊式的。我也不甚赞同到处搞石墨烯产业园的做法，大部分都是简单重复，缺少技术含量，急功近利现象非常严重。

　　很多人误认为石墨烯产业会很快走向大规模快速发展阶段，实际上并非如此。根据高德纳公司(Gartner)的技术成熟度曲线，实际上石墨烯产业仍处于早期阶段，很快就会进入死亡谷，这时候需要的是坚持、企业远见和国家意志。碳纤维从小批量生产到现在已有45年，而石墨烯只有12年的历史，的的确确跑得有点快了。石墨烯产业毕竟是实体产业，绝不会像互联网那样一忽悠就起来了。

　　当然，我们也看到了希望。北京市刚刚启动了石墨烯专项，跨度是十年，从“十三五”到“十四五”规划。我们的布局绝不仅仅是今天的产品，重点是未来的核心技术研发。

　　北京市的另一个重要举措是成立北京石墨烯研究院，希望该研究院能够石墨烯产业的未来。这个研究院生产的是技术以及技术派生出来的企业群，还有终的石墨烯产业，而不是今天的产品。

　　石墨烯行业究竟前途无量还是昙花一现？首先，制备决定未来，尤其重要的是要有工匠精神。无论是什么新材料，如果我们能够做到几十年如一日地坚持研发，以中国人的聪明才智肯定能够做好。但是我们目前的做法常常不是这样，急功近利，短平快地赚钱而已。另外，石墨烯材料需要找到杀手锏级的用途，而不是万金油式的应用。我期待超级石墨烯玻璃能够成为其中的杀手锏级应用。

　　很多人问石墨烯究竟能走多远，我给出了三种可能的前途：

　　种前途类似于碳纤维。我相信只要石墨烯原材料制造水平不断提升，至少会像碳纤维那样，成为某个特定行业的杀手锏级材料。

　　第二种前途类似于塑料。一百多年前人们发明了塑料，现在你离不开它，我们难以想象没有塑料的生活是什么样子。石墨烯有没有这样的可能呢？的确有可能，因为用途非常广泛。

　　第三种前途类似于硅芯片。可以说现在是硅时代，因为硅改变了人类的精神生活。石墨烯或许也有这个可能。

　　回顾人类文明的发展历史，从石器时代、青铜器时代到钢铁时代，现在可以说进入了硅时代。未来说不定会有“石墨烯时代”，让我们一起期待并参与推进这个新时代的到来!

　　(原标题：刘忠范：石墨烯产业切勿重演大炼钢铁运动)

(来源：知识分子)

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