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干貨|2016年石墨烯商業(yè)化狀況與最新全球應(yīng)用分析！

2017-01-17 12:23:23 作者：孫瑜來源：烯碳資訊分享至：

石墨烯是目前全球材料領(lǐng)域里最熱門的研究方向之一。石墨烯因?yàn)閲覍用娴恼咭龑?dǎo)與行業(yè)的追捧，一直讓很多人覺得很神，特別在英國、韓國等國家，中國也是如此。

下面這兩張圖反映的是目前石墨烯在全球各個(gè)角落的應(yīng)用情況，其中有些是概念原型，有些已經(jīng)商業(yè)化量產(chǎn)在市場里銷售。

石墨烯在力學(xué)性能、電子性能、環(huán)保性能以及生物性能方面都有很大的發(fā)展空間，使得不同的學(xué)科領(lǐng)域都對它青睞有加。

石墨烯納米復(fù)合材料比較成熟

關(guān)于力學(xué)性能應(yīng)用，石墨烯納米復(fù)合材料是目前在石墨烯應(yīng)用中比較成熟的一塊。比起傳統(tǒng)的碳纖維增強(qiáng)，石墨烯增強(qiáng)的車身結(jié)構(gòu)重量輕，而且強(qiáng)度大，下圖左邊的是英國BAC汽車在曼切斯特展示的一款Mono Graphene概念車，類似的應(yīng)用也可以體現(xiàn)在下圖右邊德國杜塞多夫的二維材料展上的無人機(jī)機(jī)翼，更輕更硬。

這兩個(gè)產(chǎn)品的石墨烯材料都來自英國曼切斯特的一家石墨烯公司。曼切斯特作為兩位諾貝爾獎的原產(chǎn)地，目前在石墨烯商業(yè)化上面也投入了很多。

這么有趣的石墨烯，怎么少得了3D打印

石墨烯另一個(gè)有趣的應(yīng)用是在3D打印方面，下圖所展示的3D材料來自一家在紐約長島的3D打印材料公司，已經(jīng)在加拿大風(fēng)險(xiǎn)證券交易所上市。

這家公司有趣的應(yīng)用是制造了能用于打印導(dǎo)電成品的塑料。比如公司生產(chǎn)的GGG材料，在導(dǎo)電應(yīng)用排在了碳黑，納米碳管等等材料上面。

石墨烯不僅能上天，還要去火星！

石墨烯在航天材料的可能應(yīng)用是低溫碳纖維燃料箱中的添加，馬斯克在國際航天會（International Astronomical Congress （IAC））中提出的Interplanetary Transport System （ITS）火星飛行器中最關(guān)鍵的技術(shù)，就是這一個(gè)超級無比大的碳纖維油箱（可以對比旁邊的小人），里面以后裝盛的主要燃料是液態(tài)甲烷，跟SpaceX過去一直用液態(tài)氫做燃料推動迥然不同。這也是被馬斯克稱之為“飛船中最艱難的一個(gè)部件”。

要說明的是，這個(gè)燃料箱目前沒有石墨烯材料，但石墨烯以后可能在航空航天扮演的角色包括減重、增加強(qiáng)度、韌度以及適當(dāng)?shù)挠捕龋渲邪ㄈ剂舷湟约帮w船龍骨的基本增強(qiáng)材料。這些可能的應(yīng)用主要來源于石墨烯在結(jié)構(gòu)上比碳纖維優(yōu)異的機(jī)械性能。

除了石墨烯電池，傳感器也很有意思

石墨烯比較有意思的電子性能應(yīng)用是傳感器。目前傳感器應(yīng)用最為成熟的是葡萄糖傳感器，占去了傳感器的大部分市場。除去這個(gè)，有機(jī)構(gòu)預(yù)測，接下來十年增長比較快的傳感器市場在氣體、濕度、溫度、光、壓電，還有生物傳感器方面，年復(fù)合增長率大部分都有30%以上。

上圖左邊是一個(gè)石墨烯氣體傳感器的應(yīng)用，通過判斷氣體是吸電子（eletron withdrawing）還是推電子（electron pushing）性質(zhì)，可以使石墨烯電信號產(chǎn)生影響，通過校正，也相應(yīng)的測得了氣體的ppm濃度。

另外一個(gè)石墨烯炒的很火熱的應(yīng)用石墨烯電池，比如最近的華為新聞，但最近媒體都在熱烈討論這個(gè)問題，我這里就不贅述了。

上面講的其實(shí)只是利用了石墨烯的導(dǎo)電性，但如果涉及到半導(dǎo)性，則是另外一個(gè)話題。這就是關(guān)于導(dǎo)帶與禁帶的問題。而只有這個(gè)性能才能決定石墨烯應(yīng)用于計(jì)算機(jī)超快處理器等應(yīng)用。二維片狀無缺陷的石墨烯帶寬為零，是非常好的導(dǎo)體。

目前，石墨烯在電子邏輯器件層面上的應(yīng)用還是受限于兩個(gè)方面：

從化學(xué)上來講，石墨烯材料需要一個(gè)超級完美的結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)它的極好的導(dǎo)電性，但目前來講制備完美石墨烯結(jié)構(gòu)的成本還是蠻高，我了解到的一個(gè)石墨烯CVD量產(chǎn)是在重慶的一家公司，號稱量產(chǎn)單層石墨烯用來制作彎曲手機(jī)屏幕，但還沒有求證過。

材料層面上，大家都知道計(jì)算機(jī)芯片是需要能量帶寬來實(shí)現(xiàn)1或0的轉(zhuǎn)換的，特別是邏輯器件或者內(nèi)存芯片。我們需要引入一個(gè)禁帶來實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)性能，研究人員目前也在研究在保持石墨烯高導(dǎo)電性的同時(shí)，也具備有半導(dǎo)體的功能。一個(gè)可行的方法比如切割石墨烯納米帶（Graphene nano ribbon），改變邊緣結(jié)構(gòu)，比如armchair，比如zig-zag等等，可以調(diào)控石墨烯顯示金屬性，半導(dǎo)性等等。也有美國的實(shí)驗(yàn)在做參雜改變能量帶寬。

石墨烯氣凝膠還能清理泄漏的汽油

關(guān)于環(huán)保性能應(yīng)用，國內(nèi)關(guān)于石墨烯一個(gè)比較有趣的新聞是石墨烯氣凝膠，由浙江大學(xué)高分子系研究出這個(gè)石墨烯氣凝膠具有超輕的密度，已經(jīng)申請了吉尼斯世界紀(jì)錄。

氣凝膠這個(gè)概念理解起來稍微抽象些，水凝膠大家比較熟悉，比如平時(shí)我們平常使用的隱形眼鏡，就是硅膠網(wǎng)絡(luò)，在充水之后這個(gè)親水網(wǎng)絡(luò)就會漲得很膨大。氣凝膠就是把水換成空氣之后的一種三位材料網(wǎng)絡(luò)。

因?yàn)樗募{米結(jié)構(gòu)，所以宏觀上可觀察的物質(zhì)其實(shí)非常輕，但是因?yàn)樗谋缺砻娣e特別大。理解納米材料一個(gè)最直觀的方法就是想象同樣質(zhì)量的材料，當(dāng)細(xì)分納米維度時(shí)，比表面積會指數(shù)級的增長。

由于它極大的比表面積和親油性，這個(gè)材料目前的應(yīng)用是用來清理大量汽油的泄漏，比如加勒比海BP漏油事件之類的。

用石墨烯來檢驗(yàn)DNA序列

關(guān)于生物性能應(yīng)用，最近比較新的應(yīng)用是用石墨烯來檢驗(yàn)DNA序列，基本原理是利用DNA帶負(fù)點(diǎn)，當(dāng)帶點(diǎn)DNA在電場的牽引下，會接近并通過石墨烯納米孔洞，由于C，G，A，T分子段會對石墨烯的電子結(jié)構(gòu)和離子電流產(chǎn)生形成影響，相應(yīng)了也影響了電路閉環(huán)的電流，這是最基本的DNA序列測試的原理。

這里充分利用了石墨烯堅(jiān)硬的平面結(jié)構(gòu)，而且導(dǎo)電的性質(zhì)。而且DNA堿基對的間距大約是0.6納米，這跟石墨烯厚度的0.3納米是可比的，這也保證了堿基對的分辨率可以被清晰的表達(dá)出來。

“膠帶紙和石墨的故事”

2010年諾貝爾物理獎的得主是下面這兩位老兄，一位是導(dǎo)師Geim，一位是他的學(xué)生，他們就是因?yàn)橐粋€(gè)關(guān)于石墨烯的關(guān)鍵性的實(shí)驗(yàn)而獲獎的，這個(gè)實(shí)驗(yàn)就是“For groundbreaking experiments regarding the two-dimensional material graphene”。

2010年物理諾貝爾獎用一句話概括就是“膠帶紙和石墨的故事”。Geim的學(xué)生用透明膠帶在石墨上去除灰塵，沒想到一層石墨烯就這樣被膠帶紙給撕下來了，他的學(xué)生在顯微鏡下首次發(fā)現(xiàn)了單層的石墨烯可以用這么一種簡單的方法來獲得。

但Geim的得獎經(jīng)歷用一個(gè)詞來形容最恰當(dāng)不過了，就是屌絲逆襲。他在蘇聯(lián)念完博士的時(shí)候幾乎還是很白紙的經(jīng)歷，蘇聯(lián)解體后，他來到西歐開始博士后生涯，才開始正兒八經(jīng)的研究。當(dāng)然Geim的經(jīng)歷在接下來很精彩，比如2000年左右他就獲得了搞笑諾貝爾獎（Ig Nobel Prize，磁懸浮的青蛙），而且也接連有好的成績。因?yàn)橹袊岬脑颍珿eim現(xiàn)在每年經(jīng)常往返中英兩地。

中學(xué)化學(xué)我們都學(xué)過，石墨是由一層層的六元環(huán)結(jié)構(gòu)組成，這些一層的六元環(huán)結(jié)構(gòu)就是石墨烯，因?yàn)槭且黄慕Y(jié)構(gòu)，所以石墨烯也經(jīng)常被大眾稱為二維結(jié)構(gòu)。為了了解為什么石墨烯有這么大的強(qiáng)度，應(yīng)該先了解構(gòu)成石墨烯最基本的C-C共價(jià)鍵，C-C的鍵能大約是348kJ/mol （當(dāng)然石墨烯不是純粹單鍵結(jié)構(gòu)，這里是簡單類比）。

而石墨是由范德華力相互作用疊加在一起的，范德華力的能量一般是介于0.4-40kJ/mol之間，共價(jià)鍵和范德華力大約有十倍的差別。所以我們只要破壞范德華力就可以破壞石墨結(jié)構(gòu)，而要使石墨烯斷裂，我們就需要大于10倍的能量。

這也是為什么石墨烯跟石墨的結(jié)構(gòu)如此相似，但是石墨可以用來做鉛筆一磨就碎，而石墨烯是最堅(jiān)固的材料。在考慮作用力方向的前提下，我們甚至可以說石墨烯比鉆石（純粹四面體單鍵結(jié)構(gòu)）還堅(jiān)硬。

石墨烯商業(yè)化現(xiàn)狀分析

接下來跟大家介紹一下當(dāng)前石墨烯商業(yè)化的幾個(gè)狀態(tài)，

第一，基本上目前商業(yè)化比較好的還是石墨烯原材料方面，無論是透明材料，粉末或者是石墨烯溶液，美國，中國歐洲都有相應(yīng)的石墨烯原材料公司，相應(yīng)的量產(chǎn)scale一般在年產(chǎn)幾噸左右。

第二，在進(jìn)入早期市場階段的，比如上面提到的導(dǎo)電油墨，RFID標(biāo)簽，可穿戴，運(yùn)動裝備等等。

第三，停留在產(chǎn)品原型，但也即將進(jìn)入市場的比如導(dǎo)熱產(chǎn)品，比如現(xiàn)在國內(nèi)宣傳的石墨烯衣服，還有石墨烯加熱油畫等等。其他石墨烯電池，石墨烯超級電容器也經(jīng)常有各種風(fēng)聲。

第四，目前也有很多石墨烯應(yīng)用停留在基礎(chǔ)研發(fā)階段的，比如航空材料，輪胎，水處理，生物傳感器，上面提到DNA排序，甚至還有避孕套等等不一而足。

當(dāng)前石墨烯的行業(yè)發(fā)展概況

最后，舉一個(gè)上市石墨烯企業(yè)的例子來說明當(dāng)前石墨烯的行業(yè)發(fā)展概況。下圖是英國的上市企業(yè)Haydale在倫敦證交所的股價(jià)以及一些財(cái)務(wù)基本面。基本上可以看出，Haydale自從2014年上市以來，股價(jià)穩(wěn)重有升，基本上也反映了市場上對石墨烯概念的期望值在慢慢醞釀。