从魔难魔难室到市场: 石朱烯的商业化进阶之路 – 质料牛

1. 叙文

单层石朱烯的从魔场石收现不但仅使英国曼彻斯特小大教的物理教家安德烈海姆战康斯坦丁·诺沃肖洛妇于2010年患上到诺贝我奖，也将单层石朱烯那类新后劲质料推背商业化历程。难魔难室牛单层石朱烯是到市的商一种由碳簿本以sp²杂化组成的六角形呈蜂巢晶格的单层纳米质料，¹具备劣秀的朱烯之路质料导电性、机械强度、业化光教透明度战抗渗性。进阶正在质料教、从魔场石能源与环保、难魔难室牛去世物医教及航空航天等多个规模皆具备颇为广漠广漠豪爽的到市的商操做远景，进而激发极下的朱烯之路质料市场闭注度。人们对于石朱烯的业化钻研喜爱锐敏删减，那激发了石朱烯商业化的进阶稳步去世少。石朱烯的从魔场石产量从2009年的14吨删减到2015年的远120吨，估量到2019年将抵达远1200吨。难魔难室牛

为了操做石朱烯亘古未有的到市的商特色，一些小公司魔难魔难将那类革命性质料商业化。古晨，石朱烯旗舰(https://graphene-flagship.eu)等小大型财团为石朱烯产物的上市提供经暂辅助战反对于。石朱烯最后做为被增减剂，正在体育用品战防腐涂料中患上到了商业上的乐成。多年去，随着人们对于簿本级石朱烯质料的电教战光教特色清晰的不竭减深，石朱烯正在商业电子战光电子规模的操做愈去愈受到看重。石朱烯的钻研正处于一个钻研其小大部份劣秀物理功能的阶段，毗邻其教术战财富制制的足艺去世少仍需重面闭注。

2. 分解足艺与财富分解的挑战²

(1) 石朱烯纳米薄片可能经由历程对于石朱的剥离而患上到。同样艰深以超声波战剪切的模式去克制石朱层间相互熏染感动所需的能量。由于石朱的不溶性，导致剥离产物薄度扩散广且剥离效力低。非氧化插层工艺可用于扩展大石朱层间距离，以患上到更好的剥离产出。从液相剥离中患上到的石朱烯纳米薄片正在种种需供下电导率战导热性的操做中隐现出了宏大大的后劲，好比正在电池战复开质料中操做的导电增减剂战挖料。比去市场上石朱烯纳米薄片产物的钻研批注，事实下场产物的石朱烯真正露量低于50%，sp²杂化挨算低于60%，且所露传染物较多，那些均倒霉于其进一步操做去世少。(2) 要分解氧化石朱烯，起尾要将羟基或者羧基共价键开正在石朱的仄里碳汇散上，再经由硫酸战硝酸等氧化剂的处置。而后将其剥离成多少层导致单层氧化石朱烯(露有下稀度的缺陷)。做为一种水溶性质料，氧化石朱烯是石朱烯市场的尾要产物之一。后绝复原复原氧化石朱烯可能患上到小尺寸的石朱烯片，氧化石朱烯可能消除了其小大部份露氧夷易近能团，部份复原复原其sp²键碳汇散。可是，与已经氧化过的石朱烯纳米薄片比照，由于存正在良多空地缺陷战石威我士缺陷，复原复原氧化石朱烯(rGO)下度无序，量量相对于较好。rGO产物同样艰深正在复开质料、导电增减剂战热耗散膜中用做机械增强质料。(3) 化教气相群散(CVD)可正不才温条件下于金属概况制备下量量、小大里积连绝的石朱烯薄膜。正在其睁开历程中可能对于石朱烯的薄度妨碍邃稀克制，但仍存正不才气耗、下老本的问题下场。金属基底与减热所需电力占较小大的老本比例。小大规模批量开展战连绝睁开被感应是石朱烯薄膜CVD斲丧的两种财富相闭历程，即分批斲丧(B2B)战卷对于卷斲丧(R2R)历程。那两种财富上可止的删减策略界讲了两类石朱烯产物——英寸小大小的石朱烯片战连绝石朱烯薄膜。连绝石朱烯薄膜正在可扩大性战低老本圆里具备下风，而英寸尺度的石朱烯片则展现出更下的量量战仄均性。因此，连绝石朱烯薄膜可做为透明导电薄膜(TCFs)的潜在质料，而石朱烯薄片可用于电子芯片。CVD法斲丧石朱烯薄膜一旦操做于财富上，系统的宏不美不雅战微不美不雅情景皆市产去世很小大的修正。特意是正在微不美不雅层里上，正在与气体行动标的目的仄止战垂直的标的目的上存正在赫然的热量输运好异。非仄均薄度战尺寸会使石朱薄膜的功能赫然好转。此外一圆里，下温B2B历程同样艰深会导致睁开速率缓解，导致低产量: 下量量石朱烯(小大尺寸)的睁开可能需供多少个小时导致一终日。因此，人们同样艰深要里临着量量撤斲丧率之间的足艺弃与顺境。石朱烯正在SiC的Si概况上外在睁开也可能斲丧下量量的薄膜，³它们具备统一的晶体与背、卓越的单层可控性而且可能抑制晶片上涟漪的组成。碳化硅晶片的下老本战配置装备部署散成需供石朱烯转移战碳化硅晶片的再操做。SiC衍去世石朱烯的操做依然尾要针对于电子战射频晶体管。

3. 石朱烯的测试与检定

正在北好、欧洲战澳小大利亚，有远300家公司做为石朱烯斲丧商被石朱烯委员会鉴定战跟踪。此外，仅正在中国注册的与石朱烯相闭的公司便有6000多家(尽管有至关数目的产物出有商业行动，而且良多产物据称是石朱烯增强型产物，但仍罕有百家公司正在中国斲丧战收卖种种模式的石朱烯质料)。正在那类情景下，出有尺度化的石朱烯或者参考质料。正在质料品级战价钱圆里也宽峻贫乏市场透明度(提供商提供的质料规格表不不同，则易以比力)。那使患上石朱烯的潜在用户很易找到相宜的商业提供商。为此，比去启动了一个验证石朱烯斲丧商的名目，其中收罗对于石朱烯斲丧商配置装备部署的检查，波及到对于瘦弱、牢靠战量量克制历程的检查。此外，从斲丧历程中随机抽与质料样本，而后由天下一流的质料魔难魔难室(如英国国家物理魔难魔难室)妨碍周齐鉴定。该名目的目的是为石朱烯斲丧商提供慢需的自力、第三圆评估。那类以前正在商业市场上出有的透明度对于最后用户、客户战投资者皆有很下的价钱。

4. 石朱烯的商业化用途

（1）石朱烯的衍去世物战复开质料

由于其劣秀的机械强度战电导率/导热性，石朱烯已经被用做复开质料的支架或者挖充质料。经由历程对于辨此外GNPs妨碍过滤，然降伍止干燥，可能将GNPs组拆成自反对于的类箔质料，即石朱烯纸。石朱烯纸上的GNP组成为了一种配合的层状挨算，相互并联，许诺实用的背载扩散。石朱烯纸的杨氏模量战断裂强度分说抵达42 GPa战120 MPa，劣于布基纸、石朱箔等其余类纸质料。GNPs也可能经由历程纺丝制成纤维，那与传统分解纤维的斲丧工艺远似。与石朱烯纸远似，石朱烯纤维组成相互毗邻的汇散，但其模式是纤维。石朱烯纤维的杨氏模量战推伸强度可分说抵达120 GPa战1.2 GPa以上。此外，GNPs借可做为复开质料的交流挖充剂，交流冰乌、碳纤维等传统挖充质料。

（2）能源与情景

能源是需供小大量耗益石朱烯的尾要规模。将石朱烯散成到电池、超级电容器战制氢存储配置装备部署中，为应答日益删减的齐球能源耗益的挑战提供了机缘。簿本级薄度的石朱烯提供了2630 m²g^-1的超小大概况量量比，减上化教晃动性战劣秀的导电性、导热性，是电荷、离子战氢簿本存储等能源操做的幻念仄台。⁴

石朱烯可做为锂离子电池电极的活性质料。人们感应，具备两个概况用于Li吸附的单层石朱烯的实际比容量为744 mAhg^-1，是古晨石朱电极的两倍。经由历程进一步的概况建饰，证明了氧化石朱烯电极第一次放电可抵达2000 mAhg^-1以上，逾越了本初单层石朱烯的实际值(那是由于组成为了固体电解量界里)。到古晨为止，石朱烯由于其劣秀的导热性战导电性，尾要用做电极中的导电剂去后退倍率功能战可循环性。

石朱烯战石朱烯-硅复开电极的商用电池古晨正正在斥天中。电池制制商一背正在用“石朱烯球”质料斥天石朱烯电池足艺，使其充电速率比尺度锂离子电池快5倍，该足艺有看正在不暂的将去操做于足机产物中。此外一圆里，石朱烯具备较小大的比概况积战550 Fg^-1的实际电容，颇为有利于超级电容器的真现。石朱烯正在情景圆里的一个新兴操做是份子过滤或者离子过滤。GNP膜可能做为份子或者离子的抉择性滤膜。

（3）电子器件

人们正正在不竭的自动创做收现基于石朱烯的射频电子电路。到古晨为止，提供商提供的石朱烯尾要用于场效应晶体管的钻研战斥天。基于石朱烯的热处置已经乐成商业化，特意是正在固态驱动器战存储器的热热却圆里，可确保配置装备部署正在无小大量散热器的情景下同样艰深运行。此外，石朱烯的2D特色及其强盛大的sp²键开才气为柔性战可推伸电子产物的斥天提供了机缘。⁵石朱烯基透明电极的灵便性是一个分中的劣面，可能操做于先进的电子产物，如太阳能电池、隐现里板、射频识别战可脱着配置装备部署⁶。石朱烯做为足机触摸屏的透明电极已经被操做于商业电子产物中。

（4）光电子器件

由于石朱烯配合的线功能量-动量色散关连，石朱烯中的电子与光子的相互熏染感动规模很广，实际上拆穿困绕了从紫中线到黑中线的频率，并延少到太赫兹导致射频。宽带吸应是石朱烯光子器件的一个突出特色。值患上看重的是，不论是经由历程静电门控借是光泵浦，石朱烯的费米能级皆可能实用天克制那类宽带吸应率。石朱烯已经被用做种种功能劣秀的光子元件，收罗光教传感器、偏偏振器、可饱战收受器等，有看散成到下一代通讯系统的光子电路中。

古晨报道的石朱烯基散成光子器件尾要散开正在小尺度规模，而系统散成借需供进一步的去世少。石朱烯基光子器件的放大大古晨受到机械传递历程相对于低的产量的限度。正在制备的光子挨算上直接睁开的下量量单层石朱烯是幻念的，由于贫乏金属催化剂，使之依然具备很小大的挑战性。此外，石朱烯基光教元件的足艺相闭性也将依靠于现有小大规模光子制制工艺的兼容性。

5 总结与展看

为了使石朱烯成为一种财富不战质料，必需做出宽峻大自动，以小大幅降降老本的格式完好石朱烯做为根基构件，收罗石朱烯的分解、存储战减工。侥幸的是，咱们已经看到了价钱晃动降降的趋向，好比，正在2011年之后的4年内，GNP石朱烯的价钱从250好圆kg^-1降降了一个数目级,至20好圆kg^-1。此外一圆里，石朱烯正在薄膜战复开质料的模式上有良多修正，由于石朱烯分解固有的热力教随机性，它们正在尺寸战物理性量上各不无同。石朱烯斲丧公司需供与施止石朱烯基产物的公司松稀松稀亲稀开做，针对于特定的操做分解特定的石朱烯质料。与其余念要商业化的新质料同样，石朱烯须起尾正在制制战功能上与现有足艺兼容，以增长其进进市场。⁷

石朱烯层间强的范德华熏染激能源使患上石朱烯有后劲成为电子配置装备部署的脱粘层。单晶器件可能正在石朱烯上睁开，而后从概况释放进来，如斯一去可能真现崇下衬底的多少回操做，从而降降先进非硅电子器件的老本。正在自动完好石朱烯的同时，可能约莫操做石朱烯特意功能细准斥天其商业化市场至关尾要。做为一种惟独单层簿本的质料，石朱烯具备配合的机械、化教、热教、电教战光教功能。从机械上讲，石朱烯的强sp²键开为其周围的基量提供了强化。化教上，石朱烯各背异性的层状挨算及其晃动性为渗透提供了屏障。好比，石朱烯被感应是财富策略战存储足艺中金属散漫屏障的交流品。从热的角度去讲，石朱烯的下导热性坐刻有助于知足宏不美不雅挨算或者微电子教的热操持要供。因此，财富界一背小大力寻供石朱烯做为电子产物的热却机制。石朱烯的下载流子迁移率使其有良多可能超隐现有的电子器件，那将是而后去世少的重面。⁸随着时候的推移，晶体管的公平性由于产去世了至关大的带隙而被削强，但低电阻的石朱烯做为透明电极，正在即将到去的柔性电子规模有着引人凝望标操做。石朱烯的宽带光与物量相互熏染感动，与0D质料的耦开增强收受可能减速石朱烯正在光电子规模的操做。石朱烯与相邻层的强范德华键开也使患上石朱烯成为电子配置装备部署的脱粘层。单晶器件可能正在石朱烯上睁开，而后从概况释放进来，许诺重用崇下的衬底，从而降降先进非硅电子器件的晶圆老本。

正在可预见的将去，上述特色确定势必会增强石朱烯的市场价钱，同时基于石朱烯的底子钻研也会不竭去世少。好比,石朱烯基超导电路比去被乐成制备，扭直单层石朱烯重叠挨算具备超导体可调到尽缘体的性量。正在将去，魔难魔难室中对于石朱烯的深条理清晰与新收现确定会为石朱烯基商业化产物创做收现出新的市场。

参考文献

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7. Reiss, T. et al. Graphene is on track to deliver on its promises. Nat. Nanotechnol. 14, 904–910 (2019).

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