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全球及中国石墨烯产业发展现状分析

导读: 2004年英国曼彻斯特大学的安德烈˙海姆教授和康斯坦丁˙诺沃肖洛夫教授,在实验室成功从石墨片中剥离出了石墨烯,证明了石墨烯可以单独存在,并在2010年荣获诺贝尔物理学奖,从此石墨烯走入大众的视野,在全球范围里掀起了石墨烯制备和应用的研究热潮。

  石墨烯(Graphene)是一种由碳原子构成的单层片状结构的新材料,是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜,只有一个碳原子厚度的二维材料。石墨烯是碳的多种形态中的基本结构,碳的其他形态为石墨、金刚石、碳纳米管、富勒烯。目前在能源产业,石墨烯可作石墨烯电池,备受储能产业人员关注。

  1、石墨烯产业发展概述

  2004年英国曼彻斯特大学的安德烈˙海姆教授和康斯坦丁˙诺沃肖洛夫教授,在实验室成功从石墨片中剥离出了石墨烯,证明了石墨烯可以单独存在,并在2010年荣获诺贝尔物理学奖,从此石墨烯走入大众的视野,在全球范围里掀起了石墨烯制备和应用的研究热潮。

  石墨烯堪称超级的物理特性主要包括:

  石墨烯的制备方法主要分为“自上而下”和“自下而上”两类方法。“自上而下”法是通过剥离石墨材料来制备石墨烯层,如微机械剥离法、氧化石墨还原法、碳纳米管轴向切割法、液相分离法;而“自下而上”法是通过碳原子的重新排列来合成石墨烯,如化学气相沉积法(CVD)、外延生长法、有机合成法等。

  2、全球石墨烯产业发展现状

  2.1全球市场概况及预测

  全球石墨烯市场可以分为两大类:即氧化石墨烯(GO)、石墨烯纳米片(GNP)和其他。其他类型的石墨烯包括碳化硅石墨烯、还原氧化石墨烯(rGO)等,每一种类型都有不同的特点和用途。其中,氧化石墨烯在全球市场中份额最高,紧接着是石墨烯纳米片。

  氧化石墨烯是石墨烯的一种氧化形式,以粉末形式存在。当沉积在任意基板之后,氧化石墨烯可以转换为导体,从而可以制作导电膜、传感传感器、柔性电子设备和触屏等。低廉的成本和制作简单的特点使得氧化石墨烯是一种更受瞩目的石墨烯类型,氧化石墨烯的很多物理特性(例如拉伸强度、高弹性、良好的导电性等)使得其在很多领域都有很重要的应用,如医药、生物传感器、疾病检测、高分子材料、电池中的电子材料和纳米滤膜等。

  和其他石墨烯类型相比,氧化石墨烯因为生产价格低廉因而在全球石墨烯市场中成长最快。随着对环保、稳定、无毒和柔性碳材料的需求的增长,石墨烯制造商在研发领域的投入也增加,以期能够生产出符合需求的石墨烯。

  2014年和2015年,全球石墨烯市场规模估计分别为290万美元、336万美元。石墨烯正处于大规模产业化前夕,预计到2020年市场规模可以达到3.85亿美元。石墨烯将在散热材料,高性能计算系统(晶体管材料),透明显示材料,超级电容器,锂电,传感器,结构材料等领域取得实际突破。到2025年,石墨烯市场规模将达到21.03亿美元。届时,超级电容器、结构材料、透明显示材料、高性能计算材料将释放更大的市场空间。

  2.2全球石墨烯产业重点区域发展概况

  ①英国

  英国是石墨烯的“诞生地”,但是相关研发和产业化却落后于中国、韩国、日本和新加坡等亚洲一些国家。

  为改变这种局面,近几年,英国政府投入巨资加速石墨烯的研发。2011年,英国政府宣布投入5000万英镑(1英镑约合1.52美元)支持石墨烯研究,包括建立总投资达6100万英镑的国家石墨烯研究院;2012年12月,英国政府增拨2150万英镑用以资助石墨烯材料应用领域的研究;2013年英国政府联合欧洲研究与发展基金会共同出资6100万英镑在曼彻斯特大学成立国家石墨烯研究院,由两位诺贝尔奖得主领衔,该研究院预计于2015年初建成。2014年,英国政府联合马斯达尔公司宣布继续投资6000万英镑在曼彻斯特大学成立石墨烯工程创新中心,作为国家石墨烯研究院的补充,加速石墨烯的应用研究和开发,维持英国在石墨烯及其他二维材料方面的世界领先地位。英国财政大臣奥斯本称,英国政府将“致力于确保让英国的发现在英国做出名堂来”。

  不仅如此,英国还涌现了众多致力于石墨烯生产和应用的公司,比如英国著名的体育用品海德公司已于2013年起推出了添加石墨烯的网球拍,诺瓦克˙德约科维奇等众多网球明星都在使用这款球拍。

  ②美国

  美国作为科技强国,研发实力强,对石墨烯的研究投入开始较早,投入力度也相对较大。美国国防部高级研究计划署2008年7月就发布了总投资2200万美元的碳电子射频应用项目,旨在开发超高速和超低能量应用的石墨烯基射频电路。2006年-2011年间,美国国家自然科学基金关于石墨烯的资助项目有200项左右,涵盖了石墨烯研究和应用的各个领域。2014年,国家自然科学基金投入1800万美元、美国空军科研办公室投入1000万美元对石墨烯及相关的二维材料开展基础研究。

  美国良好的创业环境也促使了众多小型石墨烯企业的诞生,产业化和应用进程相对较快。美国具有众多研发实力强劲的大型企业,如国际商业机器公司(IBM)、英特尔、波音等投入大量的科研力量进行石墨烯的研发。2012年,美国IBM公司成功研制出首款由石墨烯圆片制成的集成电路,使石墨烯特殊的电学性能彰显出应用前景,预示着未来可用石墨烯圆片来替代硅晶片。2014年10月,IBM研究人员发现石墨烯材料能大幅降低蓝光LED成本,而这种技术有机会催生高频晶体管、光探测器、生物传感器以及其他“后硅时代”组件,为此,该公司计划未来5年内投入30亿美元研究下一代芯片技术。

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