日前，有媒體報道美國堪薩斯州立大學(xué)的物理學(xué)家可能找到了廉價量產(chǎn)石墨烯的方法，通過這種方法生產(chǎn)石墨烯只需三個簡單步驟和使用三種簡單材料。發(fā)明這種方法的克里斯·索倫森申請并獲得了專利。這一消息，引起了我國科研人員的高度關(guān)注與熱烈議論。
被稱為“黑金”的石墨烯有哪些特性？我國石墨烯研發(fā)與應(yīng)用又處于何種狀態(tài)？
環(huán)境風(fēng)險面前 尋找石墨烯制備新方法
科學(xué)家預(yù)言石墨烯將“徹底改變21世紀(jì)”，有可能掀起一場席卷全球的顛覆性新技術(shù)新產(chǎn)業(yè)革命。為此，近10年來全球從事這個領(lǐng)域研究的科學(xué)家們，都力求在石墨烯的制備技術(shù)上盡快突破，期望能早日實現(xiàn)量產(chǎn)，搶占國際市場制高點。
石墨是層狀結(jié)構(gòu)，層與層之間以范德華力相互作用，作用力較弱，很容易剝落。2004年，英國曼徹斯特大學(xué)的研究者利用膠帶反復(fù)刮擦石墨片，直至獲得單層的石墨，也就是石墨烯。江蘇理工學(xué)院副教授唐煌7月4日接受科技日報記者采訪時說：“這種二維碳材料表現(xiàn)出優(yōu)異的物理及化學(xué)性質(zhì)，成為材料學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)等領(lǐng)域的研究熱點。”
唐煌介紹，石墨烯的制備方法很多，科研上主要有微機械剝離法，化學(xué)氣相沉積法，外延生長法，氧化還原法（Hummers法）等，除了Hummers法，其他方法制備的石墨烯質(zhì)量較高，是石墨烯研究中不可或缺的方法。但是無法產(chǎn)業(yè)化量產(chǎn)，只能局限于實驗室的科學(xué)研究。
目前，產(chǎn)業(yè)上Hummers法用得較多，但該方法得到的石墨烯不完美，結(jié)構(gòu)上有很多缺陷，同時該方法產(chǎn)生大量化學(xué)廢液，存在一定的環(huán)境風(fēng)險。正是由于在石墨烯制備上存在著明顯的缺陷，任何國家政府都沒有辦法支持它的產(chǎn)業(yè)化。因此，近年來，各國科學(xué)家又潛心尋找石墨烯制備的新方法。
海洋化工研究院高級工程師孫春龍7月6日對科技日報記者說：“類似克里斯·索倫森的爆炸法制備石墨烯，國內(nèi)也有人研究過，但至今沒聽說過有成功量產(chǎn)的消息。”
市場需求雖大 石墨烯卻難以量產(chǎn)
由于石墨烯的結(jié)構(gòu)特點，決定了石墨烯具有薄且堅硬，透光度好，導(dǎo)熱性強，導(dǎo)電率高，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，電子遷移速度快等特性，市場應(yīng)用前景廣闊，近10年來，石墨烯概念在全球受到廣泛追捧，國內(nèi)對石墨烯的研發(fā)與應(yīng)用熱度，也是“水漲船高”，持續(xù)不減。
盡管市場需求大，但石墨烯卻始終難以量產(chǎn)。“關(guān)鍵在于必須解決一些重要的技術(shù)難題。”唐煌告訴記者，目前，石墨烯在產(chǎn)業(yè)界還缺乏統(tǒng)一的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。而技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)也成為制約石墨烯產(chǎn)業(yè)化的巨大絆腳石，石墨烯的產(chǎn)業(yè)化依舊任重道遠。
單層與多層有何不同之處？唐煌解釋，石墨烯根據(jù)其層數(shù)一般可以分成單層石墨烯、雙層石墨烯、少層石墨烯和多層石墨烯。其中，單層石墨烯是嚴格意義上的石墨烯，少層石墨烯由3—10層構(gòu)成。當(dāng)層數(shù)大于10層，一般稱為多層石墨烯。因為石墨烯的優(yōu)異性能會隨著層數(shù)的增加顯著下降，業(yè)界認為，超過10層便不具備石墨烯材料的優(yōu)異性能。
7月6日，多年從事研發(fā)的中國碳谷科技集團首席專家戴加龍在接受科技日報記者采訪時表示：“應(yīng)該說，在國際石墨烯制備技術(shù)上，我國處于國際同步的水平。除了常用的氧化還原法和液相剝離法外，我們碳谷科技采取產(chǎn)學(xué)研聯(lián)合攻關(guān)，使用優(yōu)質(zhì)大鱗片石墨為原料，通過微機械剝離方式制得少層石墨烯，其主要優(yōu)點是徑厚比大、生產(chǎn)過程無污染、保留了二維材料優(yōu)秀的機械性能和電學(xué)性能。”
用中科院院士、北京大學(xué)納米科學(xué)與技術(shù)研究中心主任劉忠范的話來說，“碳谷科技獨特的分段式微機械剝分工藝，在當(dāng)前國際石墨烯產(chǎn)業(yè)面臨多種制約和瓶頸之下，開創(chuàng)了一條新的發(fā)展路徑，為石墨烯產(chǎn)業(yè)的大規(guī)模應(yīng)用，起到了很好的引領(lǐng)作用。”
基礎(chǔ)研究尚欠火候 應(yīng)用推廣卻已火熱
孫春龍告訴記者，最近，關(guān)于石墨烯的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，在重防腐涂料、石墨烯散熱薄膜、石墨烯基電池等方面，取得了一定進展。但事實上，這些應(yīng)用對石墨烯質(zhì)量要求不是太高，部分領(lǐng)域產(chǎn)品雖然實現(xiàn)商品化，性能并沒有體現(xiàn)出驚人的效果。即使在新能源領(lǐng)域，有些石墨烯導(dǎo)電劑的產(chǎn)品性能還不能與碳納米管相比，這本身與石墨烯的層數(shù)有關(guān)，表明石墨烯技術(shù)還不成熟，石墨烯只能替代部分的傳統(tǒng)材料。
用戴加龍的話來說，石墨烯制備技術(shù)的關(guān)注程度不如前幾年，很多企業(yè)注意力都集中在石墨烯的應(yīng)用上，認為石墨烯制備技術(shù)已經(jīng)成熟，但得到的石墨烯應(yīng)用產(chǎn)品效果卻差強人意。就國內(nèi)石墨烯現(xiàn)狀來看，整個產(chǎn)業(yè)仍處于發(fā)展初級階段，并未進入產(chǎn)業(yè)化。
記者了解到，到目前，國際上還沒有單層石墨烯量產(chǎn)。石墨資源在我國儲量豐富，產(chǎn)量占了世界70%左右，但一些地方把石墨烯與石墨資源混為一談，只要當(dāng)?shù)匕l(fā)現(xiàn)了石墨資源，就打出石墨烯的概念，而且各地依托石墨資源規(guī)劃的石墨烯產(chǎn)業(yè)園千篇一律，同質(zhì)化非常嚴重。
近年來，國內(nèi)的一些科研單位與材料領(lǐng)域的生產(chǎn)企業(yè)，在概念依然模糊，缺乏開發(fā)能力的情況下，就投入大量的資金，盲目直奔石墨烯而去，致使石墨烯研究院、石墨烯產(chǎn)業(yè)基地、石墨烯新材料園區(qū)遍地開花。更讓專家們擔(dān)憂的是，石墨烯關(guān)鍵核心技術(shù)還沒有解決，真正意義上的石墨烯產(chǎn)品還沒出來，一些研發(fā)與生產(chǎn)單位，就開始到處游說開發(fā)成功。現(xiàn)在，已開始從“研發(fā)熱”轉(zhuǎn)向“應(yīng)用熱”，各式各樣的應(yīng)用推廣會議，更是鋪天蓋地。
從概念走向應(yīng)用 促使產(chǎn)業(yè)化健康發(fā)展
目前，國內(nèi)石墨烯從業(yè)企業(yè)，絕大多數(shù)是中小型企業(yè)，年銷售額多數(shù)僅在百萬元左右，且缺乏產(chǎn)品開發(fā)能力。因此，一些對外宣稱具備百噸年產(chǎn)能的生產(chǎn)企業(yè)，其產(chǎn)值和盈利能力遠遠沒有達到預(yù)期，多數(shù)企業(yè)處于虧損狀態(tài)。
北京墨烯科技發(fā)展有限公司副總經(jīng)理鄒傳泉說：“當(dāng)前國內(nèi)石墨烯‘虛火’過旺。如果關(guān)鍵技術(shù)不解決，停留在低水平，5到8年內(nèi)，就會有大批企業(yè)倒下。”
戴加龍認為，在這場石墨烯的熱潮中，一些地方與企業(yè)走上了另一個極端，把石墨烯視為拉動經(jīng)濟發(fā)展的“神丹妙藥”，到了非理性的“狂熱”地步，嚴重影響著石墨烯產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展。
如何消除過旺的“虛火”？專家提出，決不能把目光都死盯在石墨烯這個“獨木橋”上，實際上，利用石墨資源可開發(fā)的產(chǎn)品很多，地方政府和企業(yè)應(yīng)因地制宜，圍繞市場開發(fā)多品種、高值化的產(chǎn)品。
孫春龍告訴記者，中國擁有廣闊的防腐涂料市場，其中海洋重防腐涂料需求日益增加。隨著國內(nèi)多家科研單位和企業(yè)投入研發(fā)的石墨烯基重防腐涂料的集中問世，不但對防腐涂料領(lǐng)域的發(fā)展具有重要的意義，也是一個促使石墨烯走向產(chǎn)業(yè)化的突破口，將有力推動石墨烯從概念到應(yīng)用的發(fā)展。
7月6日，在2017世界石墨烯創(chuàng)新大會上發(fā)布的《2016-2017中國石墨烯發(fā)展年度報告》顯示，2016年以來，我國石墨烯企業(yè)爆發(fā)式增長，研發(fā)類企業(yè)占比約43%，突破應(yīng)用領(lǐng)域多為觸摸屏等產(chǎn)品零件，但完整成型的突破性終端產(chǎn)品并不多見，產(chǎn)品類型未成體系。報告認為，目前我國石墨烯產(chǎn)業(yè)仍處在概念導(dǎo)入期，是產(chǎn)業(yè)化突破的初期階段，石墨烯產(chǎn)業(yè)成熟至少還需要5到10年的時間。