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“新材料之王”中国储量居全球前列 石墨烯技术点亮绿色未

发布时间:2018-11-22 11:36:26   来源:    浏览次数:306

◎本刊主笔 刘国伟

【石墨烯,被誉为“黑金”“新材料之王”。中国的石墨基础储量约占全世界的三分之一(还有数据称占一多半),由石墨衍生出来的石墨烯作为最前沿的新材料,用途太大、太神奇了,乃至有科学家预言,石墨烯将“改变21世纪”。那么,作为主导未来的战略新兴材料,石墨烯在国计民生和环保领域有哪些可观的应用前景呢?】

“新材料之王”中国储量居全球前列 石墨烯技术点亮绿色未来

非洲国家莫桑比克的巴拉马有世界最大石墨矿,今年以来该矿场已经转入设备磨合阶段,产量逐步上升。

“新材料之王”横空出世

石墨烯是一种由单层的碳原子紧密排列成二维的蜂巢状六角格子的物质,单纯由碳元素构成。半个多世纪以来,科学界曾经普遍认为这样的二维材料是一种假设性结构,难以稳定地单独存在。直至2004年,英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·海姆和他的学生康斯坦丁·诺沃肖洛夫,成功地在实验中从石墨中分离出单层的石墨烯,从而证实它可以单独存在。两人也因为“在二维石墨烯材料的开创性实验”,仅仅在6年后就共同获得2010年诺贝尔物理学奖。

“新材料之王”中国储量居全球前列 石墨烯技术点亮绿色未来

2010年诺奖颁奖典礼上的英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·海姆和他的学生康斯坦丁·诺沃肖洛夫。

这次获奖惊动了科学界和产业界,之后几年间石墨烯的研究在许多领域取得了进展。由于碳原子之间化学键的特性,石墨烯很顽强:可以弯曲到很大角度而不断裂,还能抵抗很高的压力。而因为只有一层原子,电子的运动被限制在一个平面上,为它带来了全新的电学属性。人们目前已经知道石墨烯是世上最薄却也是最坚硬的纳米材料,它几乎是完全透明的良好导体,电阻率比银更低,为目前世上电阻率最小的材料。由于它的电阻率极低,电子的移动速度极快,因此被期待用来发展出更薄、导电速度更快的新一代电子元件或电晶体。

业界认为,石墨烯在电子信息、光通讯、新材料、节能环保、医疗健康、航空航天以及国防等涉及国计民生和国家安全的领域,有着广阔的应用前景,有望带来革命性的技术进步。未来石墨烯产业市场潜力巨大,欧盟、美国、韩国等国家和地区纷纷将石墨烯新材料研究提升至战略层面。那么,石墨烯材料在节能和环保领域有何应用前景呢?

石墨烯“筛子”能淡化海水

淡水资源缺少的问题正在威胁着世界上越来越多国家的饮水安全。随着气候变化的加剧,不少城市的淡水供应量将不断下降。许多国家开始将目光转向了几乎是无限供应的海水,加大海水淡化装置的研发力度。石墨烯材料给当下无法低成本推广的海水淡化技术,带来了新的机遇。

2012年7月,美国麻省理工学院发文称,该校研究人员借助石墨烯开发出了一种海水淡化的新方法。这种方法的原理是通过精确控制多孔石墨烯的孔径并向其中添加其他材料的方法,改变石墨烯小孔边缘的性质,使其能够排斥或吸引水分子。这样一来,这种特制的石墨烯就如同筛子一样能快速地滤掉海水中的盐,而只留下水分子。新工艺的关键是非常精确地控制石墨烯孔洞的大小。研究人员称,最理想的大小是1纳米,不能太大也不能太小,如果太大了盐便会和水分子一起通过筛子,起不到过滤的作用;如果太小水分子就无法通过这些小孔。计算机模拟结果显示,这种石墨烯筛子的性能非常优秀,能够快速地完成海水淡化过程。

这种方法尽管理论上可行,但是它仍然很难被应用于实践中。直到2017年,“筛子”的研发才有了新的曙光,来自英国曼彻斯特大学的科研团队研发了一种能滤除海水中盐分的石墨烯筛子。以往当氧化石墨烯薄膜被浸泡在水中时,会出现一定程度的膨胀,使得盐分子能够穿透膜上的小孔而达不到过滤效果,曼彻斯特大学的专家则用环氧树脂防止了薄膜的膨胀,从而使得根据需要调整盐的过滤程度成为可能。

“新材料之王”中国储量居全球前列 石墨烯技术点亮绿色未来

石墨烯用于海水淡化的原理示意图。红白球是水分子,绿球是盐分,中间的石墨烯筛子可以只让水分子通过。

反观目前海水脱盐最常用的反渗透技术,原理上是用一种特制的膜来过滤海水中的盐。但由于这些薄膜上的小孔非常致密,需要非常大的压力来迫使海水通过薄膜,因此在淡化时需要使用水泵挤压海水,消耗能源非常多。相比之下在相同的压力下,使用石墨烯新技术在过滤速度上可比反渗透薄膜技术快数百倍,因此可以节约更多的能源。

柔性透明的石墨烯太阳能电池

光伏电池是当下可再生能源的主力军之一。但在当今的城市里,人们发现随着楼层越建越高,一天之中阳光照在地面和屋顶的时间越来越短。常见的太阳能电池板已无法满足需求,人们急切需要像玻璃一样透明,能安装在更多场合或建筑侧面的电池板材料,这给石墨烯材料以新的用武之地。

目前,太阳能电池制造中最广泛使用的材料是铟锡氧化物(ITO),这种材料的导电性和透明性都符合要求,但其硬度高,因此容易折断。另外,作为稀有金属,铟用来生产太阳能电池使电池成本居高不下。石墨烯层是用随处可见的碳制成的材料,不仅导电性高、可弯曲和透明,而且做成的电极只有1个纳米厚,更符合超薄有机太阳能电池的需求,因此有望成为替代目前主流材料的最佳选择。

2012年底,美国麻省理工学院的研究人员研制出一种在柔性石墨烯片上涂覆纳米线的新方法,为生产出低成本、透明以及柔韧性佳的太阳能电池提供了可行的路径。5年后,麻省理工学院的研究人员再下一城,开发出一种制造柔性透明的石墨烯太阳能电池的技术,使之能被安装于各类物质表面上。

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2017年7月,美国麻省理工学院在展示研发的含有石墨烯材料的透明、具有弹性的太阳能电池。

2017年,清华大学材料学院朱宏伟教授在评价石墨烯在太阳能电池、光电等领域的应用研究时认为,当下石墨烯在光伏、光电领域的应用与在锂电池等领域相比还很不成熟,主要原因是高质量、大面积的单层石墨烯薄膜规模化制备技术还不成熟,业界还需要继续努力。

石墨烯智能卡或将替代塑料卡

今年6月,联合国警告说塑料污染正在包围地球,治理源头势在必行。打开抽屉和钱包,数数大家各自有多少张银行卡、会员卡等塑料卡片吧。仅仅在英国,每个月就有近6000万张信用卡和其他银行卡在流通使用。卡片的繁杂不仅大大增加了人们的收纳工作量和生活不便程度,而且消耗了为数可观的塑料材料,加大了塑料污染治理的难度。

以石墨烯研究、制备、工业化应用为主的西班牙研究机构“石墨烯纳米”(Graphenano),几年前曾以创新性的石墨烯聚合物电池轰动业内。该机构向大众展示的一大前景是,一张石墨烯智能卡可以改变这一切,它号称能够将所有个人的信用卡、交通卡、会员卡甚至登机牌和火车票信息囊括起来,从源头上大大减少塑料废弃物。

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石墨烯智能卡可望替代大量的塑料卡

今年3月,有消息披露称欧洲的研究团队在开发高度灵活、高导电性的碳基天线方面取得了进展。该技术采用堆叠石墨烯多层膜,用仅由碳原子组成的新型天线取代了经典的全金属天线。使用该技术加工成的近场通信设备(NFC),不需要在加工过程中对金属进行化学蚀刻或进行高温退火,具有更耐腐蚀和化学稳定性高的优点,可以嵌入可穿戴电子设备,也没有一次性装置将重金属离子释放到环境中的危险。如此轻便、便宜的碳基材料无疑具有很大的环保吸引力。

石墨烯电子纸前景无限

在电影《哈利波特》里面,英国魔法界第一大报《预言家日报》给无数影迷留下了深刻印象,报纸上的人物形象能说会动,简直就是一张可折叠的多媒体显示器。许多观影者会不约而同地畅想到同一个问题:这样的报纸何时来到身边?很快,电子纸技术为实现这一梦想提供了可能性。电子纸被学术界称为“造纸术的革命”,是报刊杂志、书籍出版电子化及物联网界面显示最理想的载体,但由于以铟为主要材料的显示薄膜的全球储量和开发前景有限,导致电子纸显示技术推广受限且价格居高不下。

2014年9月,英国剑桥大学石墨烯中心和英国“塑料逻辑”公司,共同生产和展示了第一张基于石墨烯的电子纸。他们采用的技术是使用电场重新排列溶液上的悬浮粒子,使之显示出图像。这种显示屏与如今的电子阅读器显示屏很相似,不过它没有采用玻璃材质,而是选用了软塑料,当然这也是首次将石墨烯技术应用在基于晶体管的电子设备上面。

“新材料之王”中国储量居全球前列 石墨烯技术点亮绿色未来

2014年9月,英国剑桥大学石墨烯中心和英国塑料逻辑公司联合推出的柔性电子纸。

由于电子纸可以在弯曲状态下继续显示数字内容,这是一个堪称里程碑的时刻。其意义绝不仅仅是大大减少纸张浪费,让印刷出版行业“更绿”,而是以最低的成本、最便捷的制造解决方案,研制出性能更优良的超级电容和太阳能电池等。放眼未来,这项技术将会应用在高分辨率的医疗图像系统和高精准的手势识别应用程序上。

2016年夏天,土耳其比尔肯大学研究人员将一张普通的打印纸夹在两层石墨烯膜(由多层石墨烯构成)之间,使其变成了一种柔性电子纸。他们还将石墨烯排布成多像素模式,把纸折成三维形状,在上面打印出彩色图案,展示了不同于晶片技术的另一类效果。

“新材料之王”中国储量居全球前列 石墨烯技术点亮绿色未来

2018年6月5日,广州奥翼电子正式向外界发布了近零功耗、高性能、可量产的彩色电子纸显示屏。

同在2016年,中国也研发出了自己的石墨烯电子纸。广州奥翼电子科技股份有限公司与重庆墨希科技有限公司在历时近一年的艰辛研制后,双方共同开发出石墨烯薄膜以及电子墨水配方和涂布工艺,使电子墨水能够涂覆于石墨烯薄膜上,形成石墨烯电子纸。今年6月5日世界环境日当天,广州奥翼电子公司正式向外界发布了近零功耗、高性能、可量产的彩色电子纸显示屏。这一技术将我国电子纸的性能提升到一个新高度,也为石墨烯的产业化开创了一个全新的空间。

(本文参考了英国《今日材料》、《自然》杂志、《卫报》和太阳能光伏网等网站的信息,在此一并致谢。)

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责编:郑挺颖

网编:吴燕芳