石墨烯

企划管理部2016年9月23日石墨烯目录一、石墨烯简介3二、石墨烯特性7三、石墨烯制备13四、石墨烯应用领域19五、石墨烯产业28页码3石墨烯本来就存在于自然界，只是难以剥离出单层结构。之前大多数物理学家认为，热力学涨落不允许任何二维晶体在有限温度下存在。2004年，英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·盖姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫，使用的一种被称为机械微应力技术的简单方法成功从石墨中分离出石墨烯，它的发现震撼了凝聚体物理学学术界。石墨烯提取一、石墨烯简介随后,安德烈·盖姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫在单层和双层石墨烯体系中又发现了整数量子霍尔效应及常温条件下的量子霍尔效应，2010年度“在二维石墨烯材料的开创性实验”获得诺贝尔物理学奖。4石墨烯（Graphene）是碳原子紧密堆积成单层二维蜂窝状晶格结构的一种碳质新材料，具有完美的二维晶体结构，它的晶格是由六个碳原子围成的六边形，是构建其它维数碳质材料（如零维富勒烯、一维纳米碳管、三维石墨）的基本单元。石墨烯概念一、石墨烯简介石墨烯分子结构零维富勒烯一维纳米碳管三维石墨5石墨烯概念一、石墨烯简介富勒烯（左）和碳纳米管（中）可以看作是由单层的石墨烯通过某种方式卷成的，石墨（右）是由多层石墨烯通过分子间作用力，又称范德瓦尔斯力（vanderWaalsforce）的联系堆叠成的。6石墨烯分类一、石墨烯简介石墨烯可以分为单层石墨烯、双层石墨烯、少层石墨烯和多层石墨烯。石墨烯的结构表征占据着非常重要的位置。与其它材料类似，石墨烯的性能与其结构息息相关，而石墨烯的层数是其各种性质的决定性因素之一，石墨烯电子结构随着石墨烯层数的变化而迅速演变：单层和双层只有单一种类的电子和空穴，是零带隙的半导体；对于三及三以上层数，能谱开始变得越来越复杂；通常认为，只有层数在10层以下的石墨才可以看作是二维结构，冠以石墨烯的称谓。多层少层单层7超强硬度又具韧性二、石墨烯特性石墨烯是已知强度最高的物质。它比钻石还坚硬，强度比世界上最好的钢铁还要高上100倍，它们每100纳米距离上可承受的最大压力竟然达到了2.9微牛左右。打个比方，把大象的重量加到一支铅笔上，才能够用这支铅笔刺穿仅像保鲜膜一样厚度的单层石墨烯。8超强导电性二、石墨烯特性石墨烯是已知电阻率最小的材料。石墨烯中各碳原子之间的连接非常柔韧，碳原子不必重新排列来适应外力，稳定的晶格结构使碳原子具有优秀的导电性，电子能够极为高效地迁移，迁移速率仅为光速的1/300，远远高出其在硅、铜等传统半导体和导体中的速率。9超薄透明二、石墨烯特性石墨烯是世上已知的最薄的材料。石墨烯几乎是完全透明的，只吸收2.3%的光，只有0.34纳米厚，十万层石墨烯叠加起来的厚度大概等于一根头发丝的直径，人们用肉眼是看不见它的。10超大比表面积二、石墨烯特性石墨烯只有一个碳原子厚，即0.335nm。石墨烯拥有超大的比表面积，理想的单层石墨烯的比表面积能够达到2630m2/g，而普通的活性炭比表面积为1500m2/g，超大比表面积使得石墨烯成为潜力巨大的储能材料。11超高热导性二、石墨烯特性石墨烯已知的导热率最高的材料。和石墨、金刚石和碳纳米管相似，石墨烯拥有非常高的热导率，自由态的单层石墨烯在室温下热导率可以达到5000W/mK。12其它独特性二、石墨烯特性石墨烯具有卓越而独特的电学、光学、力学、化学性能，因此在诸多领域展现出宽广的应用前景。诱人的应用前景，使得旨在应用石墨烯的研发机会也在全球范围内急剧增加。13关键技术三、石墨烯制备石墨烯的出现在科学界激起了巨大的波澜，旨在应用石墨烯的研发也在全球范围内急剧增加，美国、韩国，中国、日本等国家的研究尤其活跃。目前众多国际大牌厂商如陶氏化学、三星、IBM以及苹果等都在积极推进石墨烯产业化的研究，国际上关于石墨烯的专利申请已经达到了几千项，主要在石墨烯的制备、能源领域的应用、显示技术方面的应用、石墨烯纳米材料以及石墨烯复合材料等方面。各国石墨烯专利情况14制备技术分类目前石墨烯制备还没有找到一种适合大规模生产的方法和途径，这也是石墨烯成本一直居高不下的原因。目前主要的制造方法分别是：机械剥离法、气相沉积法、外延生长法、氧化还原法等。三、石墨烯制备15微机械剥离法微机械剥离法是直接将石墨烯薄片从较大的晶体上剪裁下来。三、石墨烯制备首先利用氧离子等在1mm厚的高定向热解石墨（HOPG）表面进行离子刻蚀，当表面刻蚀出宽度在20um～2mm，深度在5um的微槽后将其用光刻胶粘到玻璃衬底上，再用胶带进行反复撕揭，然后将多余的HOPG去除并将粘有微片的玻璃衬底放入丙酮溶液中进行超声一段时间，最后将单晶硅片放入丙酮溶液中，利用范德华力或毛细管力将单层石墨烯捞出，从而获得石墨烯片。16外延生长法三、石墨烯制备外延生长方法包括碳化硅外延生长法和金属催化外延生长法。碳化硅外延生长法是指在高温下加热SiC单晶体，使得SiC表面的Si原子被蒸发而脱离表面，剩下的C原子通过自组形式重构，从而得到基于SiC衬底的石墨烯。金属催化外延生长法是在超高真空条件下将碳氢化合物通入到具有催化活性的过渡金属基底如Pt、Ir、Ru、Cu等表面，通过加热使吸附气体催化脱氢从而制得石墨烯。气体在吸附过程中可以长满整个金属基底，并且其生长过程为一个自限过程，即基底吸附气体后不会重复吸收，因此，所制备出的石墨烯多为单层，且可以大面积地制备出均匀的石墨烯。17气相沉淀法三、石墨烯制备气相沉淀法被认为最有希望制备出高质量、大面积的石墨烯，是产业化生产石墨烯薄膜最具潜力的方法。将碳氢化合物甲烷、乙醇等通入到高温加热的金属基底Cu、Ni表面，反应持续一定时间后进行冷却，冷却过程中在基底表面便会形成数层或单层石墨烯，此过程中包含碳原子在基底上溶解及扩散生长两部分。该方法与金属催化外延生长法类似，其优点是可以在更低的温度下进行，从而可以降低制备过程中能量的消耗量，并且石墨烯与基底可以通过化学腐蚀金属方法容易地分离，有利于后续对石墨烯进行加工处理。18氧化还原法三、石墨烯制备氧化石墨还原法也被认为是制备石墨烯的最佳方法之一。该方法操作简单、制备成本低，可以大规模地制备出石墨烯。先用强氧化剂浓硫酸、浓硝酸、高锰酸钾等将石墨氧化成氧化石墨，氧化过程即在石墨层间穿插一些含氧官能团，从而加大了石墨层间距，然后经超声处理一段时间之后，就可形成单层或数层氧化石墨烯，再用强还原剂水合肼、硼氢化钠等将氧化石墨烯还原成石墨烯。19应用领域四、石墨烯应用领域石墨烯是一种技术含量非常高、应用潜力非常广泛的碳材料，在半导体产业、光伏产业、锂离子电池、航天、军工、新一代显示器等传统领域和新兴领域都将带来革命性的技术进步。20触控领域四、石墨烯应用领域石墨烯与现有手机触摸屏材料氧化铟锡相比，具有低成本、高性能、更柔韧、更环保的特色。以当前价格相比，预计要比现有触摸屏手机成本降低30%左右。在电容式触摸屏中替代ITO材料，或者在电阻式触摸屏中涂在金属表面。21触控领域四、石墨烯应用领域2015年3月，重庆墨希科技公司与嘉乐派科技公司联合发布了全球首批量产石墨烯手机，该手机采用了最新研制的石墨烯触摸屏、电池和导热膜。具有优异的柔韧性，使其成为柔性显示屏、柔性触摸屏的不二之选。具有优异的强度和柔韧性，比普通触摸屏更耐摔22电池领域四、石墨烯应用领域天然石墨(a)和石墨烯(b)电极前3次充放电曲线由图中可以看出，石墨烯凭借其优异的导电性能可以提升电极材料的电导率，进而改善其充放电性能。石墨烯电池，利用锂离子在石墨烯表面和电极之间快速大量穿梭运动的特性，开发出的一种新能源电池。23电池领域四、石墨烯应用领域烯王与普通电池相比不仅可在满足5C条件下，实现15分钟内快速充放电，而且该石墨烯基锂离子电池可在-30至80℃环境下工作，循环寿命更高达2500次左右。2016年9月，东旭光电推出的全球首款石墨烯基锂离子电池产品“烯王”。在石墨烯基锂离子电池中，由纯度99%以上的单层石墨烯包覆磷酸铁锂正极材料，加快了导电性。24超级电容器领域四、石墨烯应用领域石墨烯基材料与传统的电极材料相比，在能量储存和释放的过程中，显示了一些新颖的特征和机制。拥有异常高的导电性和大表面积，在能量储存和释放的过程中比同类产品有较高的优越性。石墨烯超级电容器为基于石墨烯材料的超级电容器的统称。由于石墨烯独特的二维结构和出色的固有的物理特性，诸如异常高的导电性和大表面积，石墨烯基材料在超级电容器中的应用具有极大的潜力。25超级电容器领域四、石墨烯应用领域2016年9月，新加坡南洋理工大学研究团队研发了专供可穿戴电子产品使用的石墨烯超级电容。由于其具有折叠和弯曲的性能，这款石墨烯超级电容除了能用于压力传感器和化学传感器外，还能适应各类小型智能穿戴设备和任何具有柔软性的智能产品。26半导体领域四、石墨烯应用领域在微电子领域也具有巨大的应用潜力。研究人员甚至将石墨烯看作是硅的替代品，能用来生产未来的超级计算机韩国成均馆大学开发出了高稳定性n型石墨烯半导体，可以长时间暴露在空气中使用。美国哥伦比亚大学研发出石墨烯-硅光电混合芯片，在光互连和低功率光子集成电路领域具有广泛的应用前景。IBM的研究人员开发出了石墨烯场效应晶体管，其截止频率可达100GHz，频率性能远超相同栅极长度的最先进硅晶体管的截止频率(40GHz)。27生物医学领域四、石墨烯应用领域石墨烯及其衍生物在纳米药物运输系统、生物检测、生物成像、肿瘤治疗等方面的应用广阔。石墨烯在生物医学领域的应用研究虽处于起步阶段，但却是产业化前景最为广阔的应用领域之一。以石墨烯为基层的生物装置或生物传感器可以用于细菌分析、DNA和蛋白质检测。如美国宾夕法尼亚大学开发的石墨烯纳米孔设备可以快速完成DNA测序。石墨烯量子点应用于生物成像中，与荧光体相比具有荧光更稳定、不会出现光漂白和不易光衰等特点。28产业政策五、石墨烯产业石墨烯处于由实验室走向产业化的关键时期。虽然产业化取得了不少成果，但仍属刚起步阶段，当前阶段制约石墨烯产业发展的关键因素是石墨烯的工业化制备方法不成熟，面临着成本高、产品不稳定、标准化程度低等问题,还需要长时间发展才能克服这些困难。因此，目前石墨烯产业化关键看政策扶持。2012年工信部发布《新材料产业十二五发展规划》，首次明确提出支持石墨烯新材料发展;2014年2014年11月，我国发布的《关键材料升级换代工程》提出到2016年实现石墨烯的批量稳定生产和规模化应用;2015年2015年11月，《关于加快石墨烯产业创新发展的若干意见》发布，提出了将石墨烯打造为先导产业，并在2020年形成完善的石墨烯产业体系，实现石墨烯标准化、系列化和低成本化等要求。29产业联盟五、石墨烯产业2013年，中国石墨烯产业技术创新战略联盟成立。2016年9月，中国国际石墨烯资源产业联盟成立。联盟的成立意味着这是国际石墨烯领域中，地域最广、起点最高、门类最全的集资源、科技、企业、资本、人才、信息、知识产权、产业促进等为一体的国际交流互动平台，标志着联盟将全面推进全球石墨烯产业化发展。30主要公司五、石墨烯产业序号企业名称地区上市情况简介1重庆墨希科技有限公司重庆600503华丽家族2013年2月,上海南江(集团)有限公司与中科院重庆绿色智能技术研究院在重庆签订了大面积单层石墨烯产业化制备技术合作协议，根据协议约定双方共同出资成立了重庆墨希科技有限公司。未来将以重庆墨希科技有限公司作为平台，推进大面积单层石墨烯的产业化应用和开发。2015年被华丽家族收购。2宁波墨西科技有限公司宁波600503华丽家族成立于2012年4月，北京墨烯控股集团有限公司旗下子公司，通过引进中国科学院宁波材料技术与工程研究所的石墨烯产业化技术，于2013年底建成了首期年产300吨石墨烯生产线.，2015年被华丽家族收购。3常州第六元素材料科技股份公司常州831190第六元素成立于2011年，是一家专业从事石墨烯粉体研发、生产、销售，以及石墨烯应用技术开发的高新技术企业。2011年12月，建成了日产公斤级的中试生产线；2013年8月，在质量技术监督局备案第一个关于石