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石墨烯應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓寬 多家公司布局
石墨烯是新材料領(lǐng)域一顆耀眼的新星。由于具備眾多優(yōu)異的力學(xué)、光學(xué)、電學(xué)和微觀量子性質(zhì)，石墨烯有望在電子、新能源、高端制造、醫(yī)療等領(lǐng)域展開多種應(yīng)用。未來下游應(yīng)用市場(chǎng)有望達(dá)到萬億元級(jí)別，預(yù)計(jì)最先將應(yīng)用于太陽能透明電極、散熱材料和觸摸屏等領(lǐng)域。
石墨烯目前處于產(chǎn)業(yè)化攻堅(jiān)階段，在技術(shù)、工藝和產(chǎn)業(yè)鏈對(duì)接方面需要投入大量資源。產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵和難點(diǎn)是相關(guān)材料的制備、轉(zhuǎn)移技術(shù)和上下游產(chǎn)業(yè)鏈整合。美國、英國、中國、日本和韓國等國家的產(chǎn)業(yè)化開發(fā)處于相對(duì)前列。
涉及石墨烯業(yè)務(wù)的上市公司較多，但均處于研發(fā)試驗(yàn)或新涉階段，尚未對(duì)業(yè)績(jī)構(gòu)成實(shí)質(zhì)性影響。
新材料領(lǐng)域的重大突破
石墨烯是由單層碳原子構(gòu)成的六角形蜂巢晶格的平面二維材料，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，各項(xiàng)物理性質(zhì)優(yōu)異。石墨烯的發(fā)現(xiàn)顛覆了凝聚態(tài)物理學(xué)界既往的二維材料不能在有限溫度下存在的觀念。
石墨烯具備眾多優(yōu)異的力學(xué)、光學(xué)、電學(xué)和微觀量子性質(zhì)，是目前最薄也是最堅(jiān)硬的納米材料，同時(shí)具備透光性好、導(dǎo)熱系數(shù)高、電子遷移率高、電阻率低、機(jī)械強(qiáng)度高等眾多普通材料不具備的性能，未來有望在電極、電池、晶體管、觸摸屏、太陽能、傳感器、超輕材料、醫(yī)療、海水淡化等眾多領(lǐng)域應(yīng)用，是最有前景的先進(jìn)材料之一。
石墨烯材料分為兩類，一類是由單層或多層石墨烯構(gòu)成的薄膜，另一種是由多層石墨烯構(gòu)成的微片。石墨烯薄膜又分為單晶薄膜和多晶薄膜。其中單晶薄膜可以用于集成電路等電子領(lǐng)域，但是產(chǎn)業(yè)化尚待時(shí)日。而多晶薄膜有望在5-10年內(nèi)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，替代ITO玻璃用于制造觸摸屏（特別是柔性制造屏）和其他需要透明電極的領(lǐng)域。除了純石墨烯之外，另外還有很多石墨烯衍生物，未來也會(huì)有較為廣泛的應(yīng)用。
總體而言，石墨烯應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒅饕性陔娮印⑿履茉�、生物醫(yī)療、高精度制造業(yè)、水處理等高精尖技術(shù)領(lǐng)域。
傳感器方面，納米傳感器尺寸小、精度高。原子級(jí)別的傳感器與普通傳感器相比，具備多種獨(dú)有的微觀性質(zhì)，顯著拓寬了傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域。納米傳感器可廣泛應(yīng)用于生物、化學(xué)、機(jī)械、航空、軍事等方面。納米傳感器主要包括納米磁敏傳感器、納米生物傳感器和納米光纖傳感器。納米傳感器尺寸主要取決于探針針頭大小，傳感器尺寸可顯著減小，同時(shí)感應(yīng)時(shí)間大大縮短，滿足微觀高精度測(cè)量需要。隨著工業(yè)生產(chǎn)和環(huán)境監(jiān)測(cè)的需要，納米氣敏傳感器的研發(fā)獲得了長(zhǎng)足的進(jìn)展，未來有望率先實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用。
目前已經(jīng)有用化學(xué)氣相沉積法在分散有催化劑的SiO2/Si基片上制得的單個(gè)的單壁碳納米管。此種碳納米管使得傳感器在復(fù)雜的氣體環(huán)境中具有選擇性，區(qū)分度和靈敏度較之傳統(tǒng)的傳感器顯著提升。
單壁碳納米管具有優(yōu)異的電子、機(jī)械、力學(xué)等性能，但是納米管制備一直是難點(diǎn)。實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)和性質(zhì)可控的制備是單壁碳納米管應(yīng)用的基礎(chǔ)和關(guān)鍵，同時(shí)也成為碳納米管研究和應(yīng)用發(fā)展的瓶頸。
石墨烯良好的電導(dǎo)性能和透光性能，使其在透明電導(dǎo)電極方面有非常好的應(yīng)用前景。試驗(yàn)證明，石墨烯比表面積高達(dá)2600平方米/克，導(dǎo)電性極高，且儲(chǔ)能效率是現(xiàn)有材料的近兩倍，是理想的電極材料。石墨烯在取代其他電極材料方面有廣闊的應(yīng)用前景，即便是目前商用超極電容器使用的活性炭等材料，比表面積也不過1000-1800平方米/克，石墨烯的電學(xué)綜合性能顯著超越當(dāng)前的各種材料。
傳統(tǒng)電極材料多采用ITO（銦錫氧化物）。銦元素價(jià)格昂貴，且較為稀有。行業(yè)正在尋找一種成本更低的材料以替代ITO。石墨烯以其獨(dú)有的導(dǎo)電透明性質(zhì)成為備選材料。采用石墨烯制成的透明電極，不僅具備傳統(tǒng)電極的導(dǎo)電特性，同時(shí)還可以彎曲折疊，在搭建過程中可與建筑構(gòu)成一體化，更加經(jīng)濟(jì)和實(shí)用。透明導(dǎo)電電極不僅應(yīng)用于太陽能領(lǐng)域，同時(shí)還可應(yīng)用在觸摸屏、液晶屏、發(fā)光LED和超級(jí)電容等多種光電領(lǐng)域。目前全球?qū)嶒?yàn)室將石墨烯電極應(yīng)用至上述多類型產(chǎn)品，包括觸摸屏和超級(jí)電容。若能成功商業(yè)化，未來有望改變電子行業(yè)制造格局。
應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓寬
石墨烯是目前所知最薄、最強(qiáng)和導(dǎo)電性最好的材料。研究發(fā)現(xiàn)，通過建立三維堆疊多層異質(zhì)結(jié)構(gòu)的石墨烯能夠制成具備極為敏感的高效光伏設(shè)備，可以利用太陽能產(chǎn)生電力。未來有望采用石墨烯制成轉(zhuǎn)換效率更高的新一代太陽能電池。
從當(dāng)前的研究進(jìn)展來看，石墨烯不僅可以制成太陽能電池用的透明電極，同時(shí)還可以用作插入半導(dǎo)體層之間的中間電極。石墨烯最能發(fā)揮威力的領(lǐng)域是有機(jī)薄膜太陽能電池領(lǐng)域。在太陽能電池中使用石墨烯作為中間電極的優(yōu)點(diǎn)在于，石墨烯是透明的，而且與半導(dǎo)體層的相容性較高。
化學(xué)摻雜可以大大降低石墨烯面電阻并調(diào)整石墨烯的功函數(shù)，制成柔性更高的透明導(dǎo)電薄膜。石墨烯制成的透明導(dǎo)電薄膜，不僅具備導(dǎo)電、透明等太陽能轉(zhuǎn)換器件所必備的性質(zhì)，還具備金屬材料所不具備的柔性。同時(shí)，此種薄膜具備對(duì)中遠(yuǎn)紅外線高透性質(zhì)，能顯著提升太陽能的轉(zhuǎn)換效率，是新一代太陽能電池的理想材料。當(dāng)前多晶硅太陽能電池轉(zhuǎn)換效率為30%，理論上石墨烯太陽能電池有望將轉(zhuǎn)換效率提升到60%，未來太陽能電池有望實(shí)現(xiàn)小型化。石墨烯可以彎曲且透明，未來有望將石墨烯太陽能電池安裝在建筑物外墻，使太陽能用于日常照明和采暖等日常應(yīng)用。
目前，在石墨烯光伏材料研究領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位的廠商之一是富士電機(jī)。該公司正在積極開發(fā)采用石墨烯制成的太陽能電池透明導(dǎo)電膜。
超級(jí)電容器是基于高比表面積炭電極/電解液界面產(chǎn)生的電容、或者基于過渡金屬氧化物/導(dǎo)電聚合物的表面及體相所發(fā)生的氧化還原反應(yīng)來實(shí)現(xiàn)能量存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)換的電子元件。其構(gòu)造和電池類似，主要包括正負(fù)電極、電解液、隔膜和集流體。
作為一種新型儲(chǔ)能裝置，超級(jí)電容器具有體積小、輸出功率高、充電時(shí)間短、使用壽命長(zhǎng)、工作溫度范圍寬、安全且無污染等優(yōu)點(diǎn)，有望成為未來新型的電源裝置。要制造出高性能的超級(jí)電容器，電極材料是超級(jí)電容器的關(guān)鍵所在，決定著電容器的主要性能指標(biāo)，如能量密度、功率密度和循環(huán)穩(wěn)定性等。目前，納米結(jié)構(gòu)的活性炭、碳化物轉(zhuǎn)化炭、碳納米管、氧化釕、聚苯胺和聚吡咯等均已用于微型超級(jí)電容器的電極材料。但是上述材料整體性能不能滿足微型能源系統(tǒng)的要求。同時(shí)，制造微型超級(jí)電容的光刻工藝復(fù)雜，生產(chǎn)周期長(zhǎng)，成本高昂，一定程度上制約了超級(jí)電容商業(yè)化進(jìn)程。
試驗(yàn)證明，石墨烯有望成為新型高效的超級(jí)電容器電極材料。目前已經(jīng)研究出以石墨烯為基礎(chǔ)的新型微型超級(jí)電容器，此類電容器外形小巧，充放電速率高，同時(shí)具備極佳的機(jī)械柔性。與傳統(tǒng)固態(tài)電解質(zhì)相比，石墨烯電介質(zhì)可顯著提升電容器容量及耐用時(shí)間，可以與薄膜型鋰離子電池相媲美。這種新穎的石墨烯微型電容器有望應(yīng)用于MEMS系統(tǒng)、便攜式電子設(shè)備、無線傳感網(wǎng)絡(luò)、柔性顯示器，以及其多種生物體內(nèi)電子設(shè)備的儲(chǔ)能器件。
