劉忠范：石墨烯產(chǎn)業(yè)切勿重演大煉鋼鐵運動 - 全文

中國現(xiàn)在處于“石墨烯淘金熱”中，全國各地都在做石墨烯產(chǎn)業(yè)，石墨烯這個詞幾乎是家喻戶曉。據(jù)了解，中國科學(xué)院院士、北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院教授劉忠范在首屆“求是西湖學(xué)會”化學(xué)分會上，就中國石墨烯產(chǎn)業(yè)的研究、發(fā)展方向等方面分享了他的經(jīng)驗和看法。在演講中，劉忠范分享了他所領(lǐng)導(dǎo)的團隊在石墨烯方面取得的一些成果，同時，也給人們以警示，切勿讓石墨烯產(chǎn)業(yè)重演早前大煉鋼鐵運動。本期文章根據(jù)劉忠范教授當(dāng)天的演講整理并略作編輯而成。

?

?

中國科學(xué)院院士劉忠范

?

?

　　石墨烯是一種二維蜂窩狀純碳材料。大家所熟知的石墨，一層一層地剝離開來，就是石墨烯。石墨烯號稱新材料之王，集眾多特性于一身。它是最薄、最輕的材料，同時也是最強、最堅硬的材料。雖然石墨很軟，但是單層的石墨烯材料甚至比金剛石還硬。我們所熟知的金剛石導(dǎo)熱性很好，熱導(dǎo)率在2000W/m?K左右，而石墨烯的熱導(dǎo)率達到5300W/m?K。石墨烯還兼具柔性、透明等特性，而且只有質(zhì)子能夠穿透。這些優(yōu)良的特性賦予了石墨烯材料極為廣闊的應(yīng)用前景，也是吸引全世界眼球的根本原因。
?

　　中國石墨烯產(chǎn)業(yè)化運動
?

　　中國擁有全世界最為龐大的石墨烯研發(fā)隊伍，從2011年起發(fā)表的學(xué)術(shù)論文數(shù)量就穩(wěn)居世界第一。
?

　　中國申請的石墨烯專利數(shù)量也高居全球榜首，呈遙遙領(lǐng)先之勢。
?

　　中國正在掀起一場轟轟烈烈的石墨烯產(chǎn)業(yè)化運動。我一直在更新這張石墨烯產(chǎn)業(yè)園分布圖，目前全國有將近二十個石墨烯產(chǎn)業(yè)園，這個數(shù)字幾乎每天都在增長之中。無論是發(fā)達地區(qū)，還是偏遠地區(qū)，都在建石墨烯產(chǎn)業(yè)園，這讓我想起1958年大躍進時期的大煉鋼鐵運動。
?

　　其實對于石墨烯材料來說，理想與現(xiàn)實差距很大。理想的石墨烯具有完美的蜂窩狀結(jié)構(gòu)，而現(xiàn)實的石墨烯就像一件破衣服，由無數(shù)個石墨烯微片拼接而成。石墨烯上有很多缺陷，還有很多臟東西。因此，現(xiàn)實制備出來的石墨烯材料性能沒有那么好，價值也沒有那么高。套用一句網(wǎng)絡(luò)語言，就是“理想很豐滿，現(xiàn)實很骨感”。
?

　　我一直認(rèn)為，我們可以看不懂未來，但是可以回顧歷史，溫故而知新。大家所熟悉的碳纖維研發(fā)歷史很有借鑒意義。1961年，大阪工業(yè)技術(shù)試驗所進藤昭男發(fā)明聚丙烯腈基碳纖維制備技術(shù)，十年后的1971年日本東麗公司率先實現(xiàn)工業(yè)化量產(chǎn)，每月一噸的規(guī)模。東麗公司沿著T300、T800、T1000的標(biāo)號之路不斷提升碳纖維的質(zhì)量，投入了1400多億日元研發(fā)資金。直到2003年贏得波音787合同，才真正扭虧為盈。實際上，早年的碳纖維只能做釣魚桿，而現(xiàn)在的碳纖維已成為先進航空器的支撐材料。同樣叫碳纖維，但是東西不一樣，強度完全不一樣。我相信石墨烯材料也會走同樣的路，需要時間的積淀，需要持續(xù)的投入，更需要耐心。
?

　　我也一直認(rèn)為，制備決定未來。現(xiàn)在的石墨烯并不等同于未來的石墨烯。
?

　　現(xiàn)在我們看一看石墨烯是怎么制備出來的。
?

　　石墨烯的制備方法
?

　　石墨烯可以分成兩大類，粉體石墨烯和薄膜石墨烯，制備方法不同，用途也完全不同。前者可以稱之為男石墨烯，傻大黑粗；后者則是高品位的女石墨烯。當(dāng)然這是玩笑，不能當(dāng)真。我的團隊更多關(guān)注的是女石墨烯的制備方法。
?

　　從大規(guī)模生產(chǎn)的角度講，粉體石墨烯通常從石墨出發(fā)制備，通過一系列的物理化學(xué)過程把石墨烯從塊體石墨上剝離下來。一般這種石墨烯質(zhì)量較差，但產(chǎn)量很大，也比較便宜。目前國內(nèi)產(chǎn)能已達到七千噸規(guī)模，實際產(chǎn)量也就百噸規(guī)模?；瘜W(xué)氣相沉積方法是規(guī)?；苽浔∧な┑耐ㄓ眉夹g(shù)，所得到的石墨烯質(zhì)量很高，當(dāng)然也比較貴，目前國內(nèi)產(chǎn)能已達到年產(chǎn)百萬平米量級。北京大學(xué)在高質(zhì)量石墨烯制備方面做了大量的研究探索，在標(biāo)號石墨烯薄膜、三維粉體石墨烯、超級石墨烯玻璃以及超級石墨烯光纖等研究領(lǐng)域取得一系列重要突破。
?

　　超級石墨烯玻璃
?

　　我們知道，石墨烯非常薄，只有一到數(shù)個原子層厚度。因此在使用時需要放到某種載體上，例如塑料薄膜表面，在使用時自然也會受到載體的限制。我們找到了一種新的載體：玻璃。
?

　　玻璃隨處可見，應(yīng)用領(lǐng)域極為廣闊。其實我們是找了一條偷懶的路：讓石墨烯搭乘玻璃載體走向市場、走向世界。如果我們能夠在玻璃上生長石墨烯而不是簡單地涂覆石墨烯，那么就可以獲得全新的石墨烯玻璃，通過石墨烯來賦予玻璃新的功能。傳統(tǒng)玻璃產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)能嚴(yán)重過剩，利用石墨烯或許可以使其升級換代，煥發(fā)青春。
?

　　石墨烯和玻璃的結(jié)合有什么意義和價值呢？玻璃是透明的，少層石墨烯不會改變玻璃的這種屬性。玻璃是電和熱的不良導(dǎo)體，石墨烯則是電和熱的良導(dǎo)體，如果能夠把這兩個東西結(jié)合起來的話，會產(chǎn)生一種特種玻璃，既導(dǎo)電又導(dǎo)熱，同時兼具強度的提升和生物相容性。
?

　　傳統(tǒng)玻璃的制備是高溫化學(xué)過程。玻璃是非晶體，所以沒有熔點，但是有軟化點，這是石墨烯生長時的一個非常重要的參數(shù)。不同玻璃的軟化點不同，從攝氏400度到2000度以上。石墨烯是在攝氏1000度左右長出來的，因此軟化點不同，生長方法也完全不同，為此花費了我們數(shù)年的時間。
?

　　對于石英等耐高溫玻璃，直接在高溫下生長石墨烯，需要一些訣竅。普通玻璃軟化點較低，需要利用等離子體增強化學(xué)氣相沉積技術(shù)。雖然質(zhì)量不好，但基本可以保證產(chǎn)品透明導(dǎo)電。我們還發(fā)明了熔融態(tài)氣相沉積技術(shù)，在軟化、熔融的玻璃表面上生長出高質(zhì)量的石墨烯薄膜?，F(xiàn)在，我們可以在任意玻璃上生長出一到數(shù)層的石墨烯，可控性相當(dāng)不錯。
?

　　玻璃上生長石墨烯的一個難點在于均勻性，大面積生長時均勻性會變差，而且生長速率比較慢。實際上還有很大的提升空間，比如用乙醇作為碳源時生長速度可以大幅度提高，質(zhì)量也顯著提升。
?

　　這里是一塊六十厘米長的玻璃，用甲烷長石墨烯的時候非常不均勻，但是用乙醇則完全不同，長得非常均勻。我們想了很多辦法來提升生長速度，以滿足大規(guī)模制備的需求。例如，在生長玻璃基底上放置一塊毛玻璃，形成一個狹窄的生長空間，可有效提升生長速度。
?

　　那么這些玻璃究竟有什么用呢？我們做了大量的應(yīng)用探索工作。
?

　　· 觸摸屏
?

　　上圖是我們用石墨烯玻璃做的觸摸屏，線性度可以說和ITO沒有任何差異。當(dāng)然目前還比較貴，無法同ITO玻璃競爭。
?

　　· 電致變色智能窗
?

　　大家坐過波音787的話，會發(fā)現(xiàn)已經(jīng)用上了智能變色窗，不用窗簾。一按按鈕就可以調(diào)控窗子的顏色。用我們的石墨烯玻璃也可以達到同樣的目的，而且能耗可以大幅度降低。
?

　　· 液晶智能窗
?

　　把高分子液晶夾在兩塊石墨烯玻璃中間，加上幾十伏的電壓，就可以切換智能窗的透明度。未來可以用石墨烯玻璃做投影墻，用的時候打開，是不透明的，通過散射光來投影；不用的時候可以是一幅裝飾畫或滾動顯示屏。
?

　　· 透明加熱片
?

　　這是一種更接地氣的用途。石墨烯玻璃導(dǎo)電，而且具有一定的電阻，可以用作透明加熱片，加上幾伏電壓就可以起到除霜、除霧的作用。大膽想象一下，未來的石墨烯新能源汽車不需要貼膜而自動調(diào)色，可以自動除霜霧，車體用的是石墨烯復(fù)合材料，動力電池也用到石墨烯，甚至還裝備很多石墨烯傳感器。
?

　　· 高效半導(dǎo)體照明技術(shù)
?

　　最近我們和半導(dǎo)體所合作，找到了石墨烯應(yīng)用的新大陸。在石墨烯玻璃上生長高質(zhì)量第三代半導(dǎo)體材料，可顯著提高照明效率，降低成本。
?

　　· 高效細胞培養(yǎng)皿
?

　　我們的石墨烯玻璃還可以制作高效細胞培養(yǎng)皿，同等條件下細胞增殖效率提高至少一倍。
?

　　· 生物傳感器
?

　　石墨烯玻璃制品還有很多用途。在透鏡、棱鏡上面生長一層石墨烯，再修飾一些生物分子，可以用作生物傳感器。顯而易見，借助于玻璃，石墨烯可以開辟出一系列全新的應(yīng)用領(lǐng)域。
?

　　· 收集水霧
?

　　這是一個演示性的東西，可以做干旱地區(qū)的水霧收集。這是集水性非常強的玻璃，水滴在上面是水霧狀態(tài)而不是薄膜狀態(tài)，導(dǎo)熱率提高幾倍，這樣就可以高效地收集水霧。用石墨烯玻璃制作的智能建筑，在干旱和半干旱地區(qū)可顯示出廣闊的應(yīng)用前景。
?