石墨烯的基本特點(diǎn)

 

石墨烯是目前世界上已發(fā)現(xiàn)的最薄最輕最強(qiáng)的新型納米材料，能廣泛應(yīng)用于電子信息、資源能源、生物醫(yī)藥等80多個(gè)領(lǐng)域，因此被稱(chēng)為“黑金”，并享有“新材料之王”的美譽(yù)。有科學(xué)家預(yù)言，石墨烯將“徹底改變21世紀(jì)”，極有可能掀起一場(chǎng)席卷全球的顛覆性新技術(shù)新產(chǎn)業(yè)革命。

 

石墨烯是最薄最輕的新型“超級(jí)材料”。其厚度是一張A4紙厚度的十萬(wàn)分之一，頭發(fā)絲的五十萬(wàn)分之一，重量比空氣還輕。鉛筆在紙上輕輕劃過(guò)，留下的痕跡就可能是幾層到幾十層石墨烯，厚1毫米的石墨大約包含300萬(wàn)層石墨烯。石墨烯是人類(lèi)已知的強(qiáng)度最高的材料，強(qiáng)度是普通鋼材的100倍。此外，石墨烯還具有良好的韌性，單位面積石墨烯片可承受4kg重量，其韌性相當(dāng)于碳纖維的20倍，不易斷裂。例如，如果物理學(xué)家們能制取出厚度相當(dāng)于普通食品塑料包裝袋的（厚度約100納米）石墨烯包裝袋，那么它將能承受大約兩噸重的物品。石墨烯的導(dǎo)熱導(dǎo)電性能高、透光性強(qiáng)，是室溫下最好的導(dǎo)熱材料，導(dǎo)熱性能是碳納米管的1.51倍，是銅的13倍，銀的10倍。它也是室溫下最好的導(dǎo)電材料，電子在石墨烯中的運(yùn)動(dòng)速度達(dá)1000千米/秒，是光速的1/300。

 

近兩年，我國(guó)先后建立了4個(gè)石墨烯產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新基地，國(guó)家領(lǐng)導(dǎo)人也多次實(shí)地考察石墨烯產(chǎn)業(yè)化情況。據(jù)前瞻產(chǎn)業(yè)研究院《2016—2021年中國(guó)石墨烯行業(yè)深度市場(chǎng)調(diào)研與投資戰(zhàn)略規(guī)劃分析報(bào)告》數(shù)據(jù)顯示，我國(guó)申請(qǐng)的石墨烯專(zhuān)利數(shù)量最多，已超過(guò)2200項(xiàng)，占全世界的1/3。在政策方面，2015年以來(lái)，我國(guó)已經(jīng)在《關(guān)于加快石墨烯產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展的若干意見(jiàn)》等多個(gè)重要文件中提及石墨烯發(fā)展目標(biāo)，2016年國(guó)家公布的“十三五”規(guī)劃第23章中，國(guó)家也明確了石墨烯在戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)中的重要性，石墨烯作為高端材料進(jìn)入到“十三五”產(chǎn)品目錄。

 

石墨烯對(duì)全球未來(lái)能源結(jié)構(gòu)的影響

 

能源與環(huán)境是人類(lèi)發(fā)展永恒的主題。人類(lèi)歷史上每一次偉大的工業(yè)時(shí)代都以世界能源革命和新的主導(dǎo)型能源機(jī)制的引入為基礎(chǔ)和標(biāo)志。新一輪能源革命的主要特征是全球化、低碳化、智能化，其間伴隨著舊世界秩序的解體和新世界秩序的重構(gòu)。這將決定哪些國(guó)家最終能贏得未來(lái)百年的戰(zhàn)略發(fā)展主動(dòng)權(quán)。傳統(tǒng)化石能源的來(lái)源、通道將不再是各國(guó)博弈的重點(diǎn)，爭(zhēng)奪能源領(lǐng)域科技創(chuàng)新的技術(shù)制高點(diǎn)將成為國(guó)家競(jìng)爭(zhēng)的核心內(nèi)容，石墨烯等新材料技術(shù)的應(yīng)用將是重塑全球能源未來(lái)的關(guān)鍵。

 

突破可再生能源發(fā)展瓶頸的關(guān)鍵。石墨烯在能源領(lǐng)域的應(yīng)用，首先是促進(jìn)可再生能源（如風(fēng)能、太陽(yáng)能等）的有效利用。《BP世界能源展望（2017版）》于2017年3月在中國(guó)發(fā)布。該報(bào)告對(duì)全球能源發(fā)展趨勢(shì)作出預(yù)測(cè)，到2035年全球能源消費(fèi)將增長(zhǎng)約30%。可再生能源增長(zhǎng)最快，將在未來(lái)20年內(nèi)翻兩番，盡管如此，化石燃料在2035年仍是全球能源供應(yīng)主要來(lái)源（77%）?？稍偕茉此急戎貙⒉怀^(guò)20%，一個(gè)重要的原因就是可再生能源的儲(chǔ)能問(wèn)題一直沒(méi)有得到有效解決。大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)的引入將有效提高可再生能源的使用和其發(fā)電的入網(wǎng)效率。而石墨烯因理論上具有較大的比表面積、優(yōu)良的導(dǎo)電性、力學(xué)性能好的特點(diǎn)而被認(rèn)為是一種理想的超級(jí)電容器（一種高效的儲(chǔ)能裝置）電極材料。目前，國(guó)內(nèi)以及日本、韓國(guó)、英國(guó)有很多學(xué)者對(duì)石墨烯進(jìn)行研究和修飾，石墨烯+超級(jí)電容器有望在新能源利用方面取代傳統(tǒng)電容器，實(shí)現(xiàn)其在智能電網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)，能量傳輸系統(tǒng)，風(fēng)能、光伏發(fā)電能量?jī)?chǔ)存系統(tǒng)，分布式發(fā)電儲(chǔ)能系統(tǒng)等方面的應(yīng)用，提高能量存儲(chǔ)效率，減少傳輸過(guò)程中的能量損失，減少能源消費(fèi)中的浪費(fèi)。有專(zhuān)家預(yù)測(cè)，石墨烯在能源領(lǐng)域的使用，將有助于提高可再生能源在能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中的比例，預(yù)計(jì)到2035年，可再生能源的消費(fèi)占比將達(dá)到30%左右。

 

石油的間接“替代品”。石墨烯的使用不但可以提高可再生能源的消費(fèi)比例，還可以成為石油的間接“替代品”。一是可以制成石墨烯燃油添加劑，使納米級(jí)的石墨烯片層在燃燒室內(nèi)高溫高壓的作用下，迅速附著并滲透至金屬氣缸表面，在短時(shí)間形成“油膜”，提升氣缸壓力。初步應(yīng)用表明，在不改變油品的情況下，實(shí)際節(jié)油率達(dá)25%以上，減排力度達(dá)50%以上。二是可以將石墨烯與鋰離子電池相結(jié)合，使其成為新能源汽車(chē)的理想、高效電源。電動(dòng)汽車(chē)要求儲(chǔ)能裝備不但具有高能量密度，還要具有高安全性、環(huán)境友好性、快速充電等特性。石墨烯具有良好的導(dǎo)電性，被視為一種優(yōu)良的導(dǎo)電劑。添加了10%的石墨烯鋰離子電池，其充放電性能均優(yōu)于添加其他材料的電池。研究成果表明，石墨烯聚合材料電池的儲(chǔ)電量是目前市場(chǎng)最好產(chǎn)品的三倍。用此電池提供電力的電動(dòng)汽車(chē)能行駛超過(guò)1000公里，充電時(shí)間大大減少，充電次數(shù)可達(dá)3000次以上，電池的重量不足傳統(tǒng)充電電池的一半。雖然目前這些數(shù)據(jù)還僅僅是處于實(shí)驗(yàn)室階段，但為新能源汽車(chē)的大力發(fā)展和普及提供了可能。

 

但是，需要注意的是，石墨烯技術(shù)應(yīng)用仍有幾項(xiàng)重大困難（比如，工藝上來(lái)看，如何批量化地制備大面積、穩(wěn)定性好、高質(zhì)量的石墨烯就是一大難題）；產(chǎn)業(yè)更新成本巨大，難以簡(jiǎn)單取代現(xiàn)有設(shè)備。除技術(shù)與成本外，石墨烯產(chǎn)業(yè)發(fā)展最大的瓶頸在于沒(méi)有形成完整的、成熟的產(chǎn)業(yè)鏈上下游。據(jù)前瞻產(chǎn)業(yè)研究院發(fā)布的《2016—2021年中國(guó)石墨烯行業(yè)深度市場(chǎng)調(diào)研與投資戰(zhàn)略規(guī)劃分析報(bào)告》顯示，石墨烯產(chǎn)業(yè)仍處于中游專(zhuān)利布局階段，下游產(chǎn)業(yè)鏈尚未形成，即處于產(chǎn)業(yè)化初期，沒(méi)有完全實(shí)現(xiàn)石墨烯的規(guī)?；瘧?yīng)用，對(duì)石墨烯產(chǎn)品最大的需求市場(chǎng)仍然是科研院校和少量生產(chǎn)廠(chǎng)商，仍然是以初級(jí)低端應(yīng)用為主。石墨烯研發(fā)制備企業(yè)和下游應(yīng)用企業(yè)脫節(jié)。由于下游需求未起，大部分石墨烯企業(yè)目前仍無(wú)法找到穩(wěn)定的商業(yè)模式和盈利模式。石墨烯作為“替代材料”還有很長(zhǎng)的路要走。