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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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