石墨烯產(chǎn)業(yè)化仍待攻克制備與應(yīng)用的關(guān)鍵共性技術(shù)
石墨烯產(chǎn)業(yè)化仍待攻克制備與應(yīng)用的關(guān)鍵共性技術(shù)
中科院寧波材料技術(shù)與工程研究所研究員、浙江省石墨烯制造業(yè)創(chuàng)新中心主任劉兆平做“石墨烯產(chǎn)業(yè)化制備及應(yīng)用的挑戰(zhàn)”主題報(bào)告。他說，石墨烯規(guī)模化低成本制備仍面臨諸多挑戰(zhàn)，石墨烯應(yīng)用還有很多關(guān)鍵共性技術(shù)問題亟待解決，只有上下游協(xié)同創(chuàng)新突破瓶頸，才能真正發(fā)揮石墨烯在產(chǎn)業(yè)變革中的關(guān)鍵作用。
石墨烯是目前發(fā)現(xiàn)的最薄、強(qiáng)度最大、導(dǎo)電性最好的新型納米材料，被譽(yù)為“黑金”。石墨烯以其優(yōu)異的應(yīng)用特性，有望掀起一場席卷全球的新技術(shù)新產(chǎn)業(yè)革命。
石墨烯原材料主要有微片和薄膜兩種形態(tài)。據(jù)劉兆平介紹，插層剝離法制備石墨烯，無氧化過程，石墨烯結(jié)構(gòu)未被破壞，能夠保持較高導(dǎo)電性，越來越成為工程化制備石墨烯的主流方法。
“插層剝離法主要面臨四大技術(shù)挑戰(zhàn)?！眲⒄灼秸f，一是少層單片剝離較難，插層剝離法制備十層以內(nèi)的石墨烯微片需要很高的工藝技巧；二是如何保證石墨烯漿料具備良好的分散性，通常認(rèn)為流動(dòng)性良好代表分散性出色；三是如何確保石墨烯粉體的分散性；四是如何實(shí)現(xiàn)綠色環(huán)保和低成本生產(chǎn)。只有突破這四個(gè)難點(diǎn)，才能真正推動(dòng)石墨烯產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。
石墨烯粉體存在堆疊嚴(yán)重、產(chǎn)率低、極度蓬松、粉塵飛揚(yáng)、極易吸潮等問題。劉兆平認(rèn)為把石墨烯和高分子、其他納米材料等復(fù)合，尋找兩種材料之間匹配的尺度和特性形成復(fù)合粉體，可以有效解決石墨烯團(tuán)聚堆疊和致密度的問題，并且便于分散復(fù)原。
據(jù)劉兆平介紹，其團(tuán)隊(duì)采用插層剝離法已可批量制備平均厚度7層（2.4nm）的石墨烯，未來，插層剝離制備技術(shù)有望進(jìn)一步突破，石墨烯厚度可從平均7層降低至平均3層（1nm）。“但降低厚度之后石墨烯分散問題怎么解決，其應(yīng)用效果是否會(huì)有顯著提升，仍待研究?！眲⒄灼秸f。
在石墨烯薄膜制備上，CVD（化學(xué)氣相沉積）法是當(dāng)前主流方法。其中卷對(duì)卷連續(xù)CVD制備技術(shù)可實(shí)現(xiàn)石墨烯從單片到成卷制備，大幅提高制備效率和一致性。
劉兆平說，日本索尼、韓國三星、麻省理工學(xué)院和密歇根大學(xué)都先后進(jìn)行了卷對(duì)卷制備石墨烯薄膜的探索，但制備效率均不理想。其中主要的技術(shù)挑戰(zhàn)是，如何讓石墨烯在運(yùn)動(dòng)銅箔上快速生長、如何讓大寬幅銅箔在接近融化狀態(tài)下快速傳送、如何把石墨烯快速無損轉(zhuǎn)移到柔性基材及任意基材、如何實(shí)現(xiàn)石墨烯多層轉(zhuǎn)移。
劉兆平團(tuán)隊(duì)近年來著力攻克石墨烯卷對(duì)卷制備技術(shù)挑戰(zhàn)，目前已建成年產(chǎn)百萬平米石墨烯薄膜卷材中試生產(chǎn)線，可制備0.5米寬幅石墨烯薄膜，每分鐘超過5米，一次成卷上1000米，成本低于ITO（氧化銦錫），可轉(zhuǎn)移至聚酯、玻璃、陶瓷等多種基材，率先實(shí)現(xiàn)了石墨烯薄膜卷材低成本規(guī)?；圃臁?br>
從石墨烯應(yīng)用來看，石墨烯微片的導(dǎo)電、導(dǎo)熱、阻隔等特性可廣泛應(yīng)用于電池、橡塑、涂料等行業(yè)，支撐傳統(tǒng)行業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)；石墨烯薄膜的柔性、透明、導(dǎo)電等特性可用于柔性電子及傳感器，推動(dòng)變革性技術(shù)發(fā)展。
劉兆平說，目前，石墨烯微片在新一代動(dòng)力鋰電池、石墨烯薄膜在電熱膜應(yīng)用上取得了初步成效，但石墨烯應(yīng)用仍待突破諸多共性關(guān)鍵技術(shù)問題，如石墨烯微片的分散、復(fù)合，石墨烯薄膜的表面功能化、器件加工等。同時(shí)，質(zhì)量和成本問題仍然是制約石墨烯產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的瓶頸。
“石墨烯技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)化，必須與相關(guān)應(yīng)用行業(yè)深入融合。下游應(yīng)用要提前切入石墨烯原材料生產(chǎn)過程，并以下游應(yīng)用為主推動(dòng)技術(shù)創(chuàng)新。同時(shí)，要進(jìn)一步完善產(chǎn)學(xué)研用資協(xié)同創(chuàng)新的體制機(jī)制?！眲⒄灼秸f。