关于石墨烯材料在##开发区应用的对策研究

1、.关于石墨烯材料在#开发区应用的对策研究石墨烯是近年来世界范围内先进材料的新宠儿。随着石墨烯研发的深入开展，石墨烯进入工业化生产领域已为时不远。为增进对石墨烯材料的了解，依托开发区正道新能源公司，开展更为广泛的产业合作，打造独具特色的石墨烯产业集群。一、石墨烯简介1、石墨烯定义石墨烯是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一个碳原子厚度的二维材料。在“中国石墨烯产业技术创新战略联盟”发布的1号标准文件中，把石墨烯定义为：石墨烯是一种二维碳材料，是单层石墨烯、双层石墨烯、和少层石墨烯的统称。单层石墨烯是指由一层以苯环结构（即六角形蜂巢结构）周期性紧密堆积的碳原子构成的一

2、种二维碳材料。双层石墨烯是指由两层以苯环结构周期性紧密堆积的碳原子层以不同堆垛方式（包括AB堆垛，AA堆垛，AA堆垛等）堆垛构成的一种二维碳材料。少层石墨烯是指由3-10层以苯环结构周期性紧密堆积的碳原子层以不同堆垛方式（包括ABC堆垛，ABA堆垛等）堆垛构成的一种二维碳材料。2、石墨烯发展历程时间发展事件1934年朗道和佩尔斯指出了准二维晶体材料由于其自身的热力学不稳定，在常温压下迅速分解1947年飞利浦华莱士开始研究石墨烯的电子结构1956年麦克雷推导出相应的波函数方程1960年林纳斯鲍林曾经质疑过石墨烯的导电性1966年大卫莫名和赫伯特瓦格纳提出表面欺负会破坏二维晶体的长程有序1984年

3、谢米诺夫得出与波函数类似的狄拉克方程1987年穆拉斯首次使用Graphene来指定石墨烯2004年曼彻斯特大学Geim和Novoselov用微机械从石墨中分离出石墨烯2010年安德烈海姆和诺沃肖诺夫获得2010年诺贝尔物理学奖3、石墨烯性质最薄的材料：单层石墨烯只有一个碳原子的厚度，厚度大约为0.335nm，相当于一个头发的20万分之一，1毫米厚的石墨中有将近150万层左右的石墨烯。最硬的材料：石墨是矿物质中最软的材料，其莫氏硬度只有1-2级。但是，如果石墨被分离成一个碳原子厚度的石墨烯时，其性能则发生突变，硬度将比莫氏硬度10级的金刚石还高。超大比表面积：理想的单层石墨烯的比表面积能够达到2

4、630m2/g，普通的活性炭的比表面积仅为1500m2/g。超大的比表面积使得石墨烯成为潜力巨大的储能材料。强导电性：石墨烯中的电子没有质量，电子的运动速度超过了在其他金属单体或是半导体中的运动速度，能够达到光速的1/300，所以石墨烯拥有超强导电性。二、石墨烯应用由于其独特的物理化学性质，石墨烯有望在半导体、光伏、锂电池、航天、军工、显示器等传统行业和新兴行业带来革命性进步，一旦量产将成为下一个万亿级产业。1、锂电池电极材料石墨烯可作为新型的锂电池负极材料。根据高工锂电调研统计，2013年全球负极材料总产量达到5.85万吨。目前全球负极材料大多以石墨类为主，其中天然石墨占比为59%，人造石墨

5、为30%，中间相炭微球为8%，其他类型为3%。新型的负极材料包括钛酸锂、不定型碳、硅碳复合材料、锡基合金、金属合金、石墨烯等。石墨烯作为锂电极材料极具优势。主要体现在以下几个方面：（1）石墨烯具有极高的比表面积，因此化学反应速度和材料利用率更高；（2）石墨烯具有优良的导电和导热性。其本身具有良好的电子传输通道，导热性保证了其稳定性；（3）聚集形成的宏观电极材料中，石墨烯片层的尺度在微纳米量级，远小于体相石墨，使得锂离子在石墨烯片层之间的扩散路径较短；且片层间距也大于结晶性良好的石墨，更有利于锂离子的扩散传输。2、超级电容器超级电容器是一种靠极化电解液来存储电能的新型电化学装臵。它具有功率密度高

6、、循环次数多的特点，在各类需要能源转化的领域有着巨大的应用价值。目前，研究和应用最广泛的超级电容器电极材料主要是碳质材料，包括活性炭、活性碳纤维、碳纳米管等，其中最为成熟的是活性炭。比较发现，石墨烯与其它碳材料相比，比表面积大、电导率高、化学稳定性好，这些优良的性能使石墨烯及石墨烯基材料成为超级电容器电极材料有力竞争者。石墨烯是完全离散的单层石墨材料，其整个表面可以形成双电层。但是，在形成宏观聚集体过程中，石墨烯片层之间互相杂乱叠加，使得形成有效双电层的面积减少。如果其表面可以完全释放，则将获得远高于多孔炭的比容量。在石墨烯片层叠加而形成宏观聚集体的过程中，通过控制条件使其形成的孔隙集中在2.

7、0nm以上，有利于电解液的扩散。此外，石墨烯独特的二维结构使其不需要添加剂或黏结剂就能够通过控制微观结构自组装成三维宏观结构而直接用于超级电容器。3、电子显示器件目前，主要的电子显示器件都由氧化铟锡材料（ITO）构成，主要因其优异的导电和透光性能。这种材料主要源自稀土，不仅价格高，易碎，而且有毒。目前越来越多的厂商开始采用石墨烯、纳米银、碳纳米管等新兴材料来取代传统的氧化铟锡。石墨烯取代ITO主要有几点优势：第一，石墨烯原材料易得。ITO的原料为稀有金属铟，这种金属在全球储量很低。美国矿业协会2008年公布的数据显示，已发现的铟矿储量仅能使用到2028年，而2010年以来铟的使用量更是在快速放

8、大。随着各国对稀土资源的保护加强，其成本不断飚升，从02年92美元/千克到现在的930美元/千克。相比而言，石墨烯的原材料主要是石墨和金属基底材料，从原材料成本和可得性来看，石墨烯远优于ITO；第二，石墨烯透光率好。石墨烯具有透光率好的优点，只吸收2.3%的光，几乎完全透明。第三，石墨烯的柔韧性极佳。其能够拉伸20%而不断裂，还能够制作可折叠、伸缩的柔性显示器件。第四，石墨烯具备耐高温、防水、防碱盐腐蚀等多种优异性能。虽然目前制作大面积石墨烯时，会混入很多杂质，也会产生很多缺陷，导致大多数石墨烯制品的导电性及透明性都尚未达到ITO的水平，但是石墨烯应用于触摸面板领域将会是大势所趋。2013年中

9、国科学院重庆绿色智能技术研究院成功制备出国内首片15英寸的单层石墨烯；此前，韩国三星和成均馆大学也宣布制成了石墨烯可折叠式显示器。4、半导体材料石墨烯是一种性能优异的半导体材料，被誉为21世纪取代硅的材料。理论上而言，石墨烯的电子迁移率和空穴移动率相等，其n形场效应晶体管和p型场效应晶体管是对称的；此外，石墨烯还具有零禁带特性，在室温下，载流子在石墨烯中平均自由程和相干长度可以达到微米级别。因此，采用石墨烯器件的计算机芯片运行速度可以比目前的计算机快500-1000倍。此外，由于电子穿过石墨烯几乎没有任何阻力，产生的热量较少，所以石墨烯还可以解决目前笔记本电脑散热困难的问题。三、#开发区石墨烯

10、产业发展对策目前，我区已确立了“二三二”产业发展方向，明确了将先进材料作为发展重点，并成立了研究平台，对于发展石墨稀产业拥有较好的基础，但就目前石墨烯产业总体发展态势而言，石墨稀产业仍属于高投入、低回报的阶段。前期资金投入较大，运用、市场相对较窄，技术要求较高。但后期可通过专利注册等，实现技术垄断、规模化集中。主要建议从以下几个方面入手。第一，明确招商方向，注重企业招引。围绕二三二产业导向，加大新材料产业企业的招引力度，增加招商优惠政策，实现区内石墨烯企业从无到有，并招引上下游产业，如碳纤维、电子机械、新能源汽车等企业，实现区内石墨烯产业链由短到长。第二，明确创新驱动，注重技改投入。鼓励重点企业，如中复神鹰公司、汉高华威公司、华海诚科