石墨烯研究进展

(1) 一个月后，烧杯内剩余液体的质量为m 3 －m 1 =31.4g－20.2g=11.2g；液体的体积为14ml=14cm 3 ；故剩余的液体密度ρ= =0.8g/cm 3 。这种物质是酒精。(2)①有较好的透水性；②有良好的密封性。

(1)求烧杯内液体的密度，可通过其质量和体和获得，质量可通过图3与1间的差值获得，体积可通过读取图3中的烧杯的示数获得；（2）已知密封的是水和酒精的混合物，一个月后，液体的体积明显减小，计算结果表明，剩余液体都是酒精，据此可以得到：①氧化石墨烯薄膜具有较好的透水性，内部的水全部蒸发②氧化石墨烯薄膜具有较好的密封性，水虽然蒸发了，但酒精的质量没有变化。

英国Geim首先报告的石墨烯

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实际上石墨烯本来就存在于自然界，只是难以剥离出单层结构。石墨烯一层层叠起来就是石墨，厚1毫米的石墨大约包含300万层石墨烯。铅笔在纸上轻轻划过，留下的痕迹就可能是几层甚至仅仅一层石墨烯。石墨烯在实验室中是在2004年，当时，英国曼彻斯特大学的两位科学家安德烈·杰姆和克斯特亚·诺沃消洛夫发现他们能用一种非常简单的方法得到越来越薄的石墨薄片。他们从高定向热解石墨中剥离出石墨片，然后将薄片的两面粘在一种特殊的胶带上，撕开胶带，就能把石墨片一分为二。不断地这样操作，于是薄片越来越薄，最后，他们得到了仅由一层碳原子构成的薄片，这就是石墨烯。这以后，制备石墨烯的新方法层出不穷，经过5年的发展，人们发现，将石墨烯带入工业化生产的领域已为时不远了。因此，在随后三年内, 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分别发现了整数量子霍尔效应及常温条件下的量子霍尔效应，他们也因此获得2010年度诺贝尔物理学奖。在发现石墨烯以前，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。所以，它的发现立即震撼了凝聚体物理学学术界。虽然理论和实验界都认为完美的二维结构无法在非绝对零度稳定存在,但是单层石墨烯在实验中被制备出来。

很有发展前景。石墨烯电池分为两块，一是传统锂电池上，二是利用石墨烯制造颠覆性的“超级电池”锂电池的强国是日本和韩国，韩国是发明充电16秒的石墨烯超级手机电池。日本则是研究锂电池外，再研究燃料电池技术，这个是涉及到了使用石墨烯材料的催化剂而制成的。特性（括号里面的是用途）：超强导电性：电子迁移率是硅的100倍，电阻小于铝、银等金属（集成电路、导电添加剂）透光率极佳：透光率97.7%（电容屏、太阳能电池板）超强导热性：导热系数5300W/mk，强于碳纳米管、铜铝等（导热膜、超大规模纳米集成电路散热材料）面积极大：比普通活性炭高出1130平方米（超级电容、锂电池、传感器）超强硬度：硬度超过金刚石，断裂度是钢铁的100倍（防弹衣、飞机超轻材料）除了以上特性外，其衍生出来的氧化石墨烯具有强载体和靶向性，能够用作肿瘤诊断和治疗。

各国纷纷布局石墨烯，抢占产业制高点。石墨烯作为一种新型的二维纳米材料，因其优异的性能在电子信息、新材料、新能源、生物医药、环境保护等诸多领域具有巨大的应用潜能和革命性变革，世界各国和跨国企业纷纷投入巨资加强石墨烯的研发、生产和应用，以期占抢占产业制高点。目前，全球已有80多个国家投入石墨烯的研发、生产。美国、欧盟、日本、韩国等相继发布或资助了一系列相关研究计划和项目。特别是欧盟制定了石墨烯旗舰计划，计划投入10亿欧元。全球石墨烯研发、生产综合实力最强的前三甲是美国、日本、中国。不仅如此，IBM、英特尔、陶氏化学、三星等国际知名跨国企业纷纷将石墨烯及其应用技术作为长期战略发展方向，而且还涌现出了大批专门从事石墨烯研发、生产和应用的机构和企业。正处于概念导入期、产业化突破前期。实验室成果和专利产品要成为商品，一般需要经过5个阶段：实验室研发——实验工厂(小试)——示范生产线(中试)——示范工厂——规模化生产，每个阶段都不可或缺，并且都潜在着风险，不可能一蹴而就，这个过程需要10年、20年、甚至更长时间。比如，硅材料历经了20多年、碳纤维坚持了半个多世纪。从Gartner的技术成熟度曲线来看，石墨烯产业总体上正处于概念导入期、产业化突破前期，正从实验室走向产业化。目前以石墨烯粉末(体)为原料的低端产品，如功能涂料、复合材料、电极材料和结构增强型材料等，虽然部分已初步产业化，但规模小、技术含量不高、附加值较低。而以石墨烯薄膜为原料的高端产品，如微电子材料和显示屏薄膜材料等，或处于实验室阶段，或处于中试阶段，短时间内均难以实现产业化。欧美等发达国家认为，目前石墨烯技术成熟度还在1-4级，尚不适宜大规模产业化。

《自然》连刊两文报道石墨烯超导重大发现，值得关注的是，本次两篇Nature论文的第一作者、麻省理工学院博士生曹原来自中国。2018年12月18日，曹原登上《自然》年度科学人物榜首。曹原，男，1996年出生，籍贯是四川成都，美国麻省理工学院博士生。在《自然》上以第一作者身份发表论文的最年轻中国学者。首先声明一点，曹原发现的并不是常温超导现象，另外说明一下，如果现在有谁发现了常温超导现象的话，那么他一定可以得到诺贝尔物理学奖。这本来是去年的事，不知从何时起又被炒起来了，曹原是中国人，1996年出生的他现在正在麻省理工攻读博士学位，前一段时间他发现了石墨烯特殊超导现象，并且以第一作者的身份在世界顶级科学期刊Nature上发表了两篇论文，可以说是名声大振。超导现象一直以来是科学家乐于研究的，如果一个导体实现了超导，那么就意味着用这个导体传输电流的时候不会发热，也就是不会导致能量损失，这对于科学界来说意义重大，如果常温超导可以实现，那么就意味着世界每年就会节省大量的电能，如果传输电量的材料可以使用超导体的话，那么就会将能源消耗减少到最低。发现石墨烯的两人团体也获得过诺贝尔奖，由于这种材料的超强性能，被人不断给予新期待，有人拿它做过超导实验，不过没什么进展，而曹源这次的成果就是发现了石墨烯在电子导通和不导通两种状态下的转换，而这个如果能形成一种理论，那么这个临界点怎么形成的，别的材料能不能，如果能也需要什么条件，如果他和他的导师能总结给出一个理论，诺贝尔奖都盖不住他的光芒。

　　现在前景看好，参考前瞻产业研究院《中国石墨烯行业深度市场调研与投资战略规划分析报告》显示，我国在石墨烯产业化方面是具备一定优势的，应用于电池材料、功能涂料、导电油墨和散热膜的石墨烯产品均已经实现量产。我国石墨烯导电浆液、功能涂料等具备一定的产能，但存在下游市场尚未完全打开的问题：产品需求不足，生产线效益有限。目前能够量产的石墨烯触控屏为5.5英寸，适用于手机屏幕，江南设计院称其有约10万片/年的产能，而全年手机产量在十亿台数量级。此外，目前我国石墨烯产品大部分为少层或多层石墨烯混合产品，高质量的单层石墨烯膜产品研发制备不足，主要依靠进口，石墨烯复合材料、石墨烯二次电池和石墨烯电子元件的应用研发也尚处技术攻关阶段。综上，石墨烯产业发展需要资金的支持和方向性的引导，以防错失先发优势。　　随着石墨烯制备水平的发展和石墨烯应用技术水平的发展，石墨烯材料能够应用在的下游产品和领域中。到2024年前后，石墨烯器件有望替代互补金属氧化物半导体（CMOS）器件，在纳米电子器件，光电化学电池、超轻型飞机材料等研究领域得到应用。石墨烯制备水平和应用技术水平的发展是相辅相成的，以目前的发展水平看，电子元件领域的应用对石墨烯的质量和技术要求最高，也最难以实现，我们预计其应用在10年左右。不错的

　1 先导产业初打造　　据复旦大学高分子科学系教授卢红斌介绍，根据诺贝尔奖获得者Geim和Novoselov的定义，石墨烯是指“具有蜂窝晶格结构的、单个碳原子厚度的二维碳膜”。然而，学术上有许多研究涉及多层堆积的石墨烯片层，因此，现在人们往往将其分为“单层石墨烯”和“少层石墨烯”（小于10层）”，而10层以上的人们通常称之为“石墨微片”。这应该是目前石墨烯国家标准中最终确定的定义，也是目前学术界广泛接受的观点。　　清华大学材料科学与工程系教授沈万慈介绍，继2004年之后石墨烯在全世界都热了起来，后来在国际会议上确定，1～10层公认为是石墨烯，超过10层以上的叫纳米石墨片。现在网络上也有叫类石墨烯产品或是多层石墨烯，其中类石墨烯接近石墨烯，但不是石墨烯，多层石墨烯叫法也是错误的。真正充分表现石墨烯高强度、透光、导电性等特点，是越薄越明显，尤其是单层最明显。例如从透光率来说，5层以上基本不透光。　　沈万慈还介绍，目前石墨烯的制备方法基本有两类：一类是以氧化还原技术为代表的剥离方法；另一种是气相化学合成，也就是CVD方法。这两类产品不一样，用途也不一样。而目前用天然石墨等制备石墨烯，最多采用的是氧化还原法，用强氧化剂处理石墨成为氧化石墨，然后使之剥离分散成为氧化石墨烯，再经还原以后才是石墨烯。氧化还原法制备的是石墨烯粉体和浆料等，通常计量单位为克、千克、吨等。采用CVD方法制备的是石墨烯膜，成本较高，但其利用价值也高。这类产品的计量单位是平方米。真正能够发挥石墨烯性能的，特别是在电子产品上有应用前途的是石墨烯膜，比如触摸屏等都是由石墨烯膜制成。　　《“十二五”期间中国石墨烯行业深度市场调研与投资战略规划分析报告》显示，我国已申请了2200多项石墨烯专利技术，占世界石墨烯专利总数量的1/3。实际上，在“十二五”期间，我国各地政府已经瞄准石墨烯这一新材料，并相继成立了一系列石墨烯产业化基地，包括宁波石墨烯产业园、常州江南石墨烯研究院、无锡石墨烯产业化示范区、青岛国际石墨烯创新中心和重庆石墨烯产业园。此外，多个省份如安徽、黑龙江、湖南等也已开始着手筹划石墨烯产业发展规划。　　经过几年的前期准备，我国已将石墨烯列入“十三五”重点发展的基础新材料，一系列相关政策也于近期出台。其中，工信部、发改委、科技部于2015年11月30日联合下发了《关于加快石墨烯产业创新发展的若干意见》（简称《意见》）提出，把石墨烯产业打造成先导产业，到2018年，石墨烯材料制备、应用开发、终端应用等关键环节良性互动的产业体系基本建立，产品标准和技术规范基本完善，开发出百余项实用技术和样品，推动一批产业示范项目，实现石墨烯材料稳定生产以及在部分工业产品和民生消费品上的产业化应用。到2020年，形成完善的石墨烯产业体系，实现石墨烯材料标准化、系列化和低成本化，建立若干具有石墨烯特色的创新平台，掌握一批核心应用技术，在多领域实现规模化应用；形成若干家具有核心竞争力的石墨烯企业，建成以石墨烯为特色的新型工业化产业示范基地。　　可以预见，我国的石墨烯产业在“十三五”期间可望取得快速发展，并拉动包括新能源、新材料以及交通运输、电力等诸多产业的发展。　　如何让石墨烯产业快速健康发展，是许多业内人士的目标，也是正在寻找和研究的方向。面对几近疯狂的炒作和急功近利的现象，在质疑石墨烯产业化之路到底有多长之时，业内专家纷纷提出了自己的建议。　　就产业发展，沈万慈认为，所谓先导产业，就是石墨烯作为最基础的新材料，带动下游产业应用，形成产业链。目前的主要任务是踏踏实实做好石墨烯应用研发工作，就是终端产品的研发。生产出终端产品，市场认可，有一定的需求量，哪怕一年几百吨，也能形成一个产业链。他分析，前几年在制备方法上做了很多研究，现在氧化还原方法已经比较成熟，CVD制备石墨烯膜也达到一定的规模。但现在终端产品基本上都是样品，比如触摸屏、超级电容器、导电剂、海水净化膜等，不是最终产品，没有形成批量生产。一个材料如果没有应用市场，不可能形成产业。所以，要特别加强技术研发，真正开发出终端产品并被市场认可。　　沈万慈指出，石墨烯应用的最重要领域是电子技术，在微电子技术向纳电子技术的转型中，石墨烯材料会起到主要作用。这方面的研究国内相对较少，需要加强。　　刘荣华则认为，应该从国家层面统筹或规划石墨烯产业的发展，每个地方应差异化发展，避免同质化竞争，避免产能过剩。地方政府也可以整合当地科研机构资源，对接或服务这些石墨烯企业。此外，政府还应出台相关政策来支持石墨烯产业发展。　　北京有色金属研究院总院高级工程师刘冠伟认为，氧化石墨烯以及石墨烯类物质从性能上来说不算太出众，想要制备出高附加值、高技术含量的产品比较困难。制备高性能的石墨烯材料，开发真正的高端用途，可能更为符合国家希望依靠石墨烯实现做大做强中国工业，实现产业升级的期望。　　针对石墨烯产业的发展，袁国辉也提出几点建议：一是制定国家石墨烯产业化发展战略和规划。在政府政策的引导下，搭建好若干产学研研发平台或产业园区，有针对性的重点布局，重点攻关，避免重复投入和低水平重复性研究。一方面，要加强真正原创性的基础研究和应用基础研究；另一方面，高度重视面向产业化的关键技术和工程化研究。二是在有发展条件和研发基础的地区，建立若干石墨烯工程技术中心，面向市场，重点研发各具特色的石墨烯产业化技术及产品，并进行推广。三是鼓励石墨烯材料及相关产品的应用技术研发和商业化生产，可以采取多种措施，鼓励具有研发和市场能力的企业做强做大，要扶植起若干具有全局性作用的龙头企业。四是鼓励具有一定规模、具备发展潜力的石墨烯企业进入资本市场，利用市场的力量规范石墨烯产业的发展。　　同时，袁国辉还对黑龙江省发展石墨烯提出了具体建议：一是在全省一盘棋的思想下，规划以哈尔滨为中心，建立石墨烯新技术、新材料、新应用研发，产业技术孵化基地，以鸡西、鹤岗为两翼，建立石墨烯及高端石墨新材料生产基地；二是以哈尔滨万鑫石墨谷产业园为载体，在哈尔滨市建立石墨烯产业研发及应用研究平台，建设企业化运作、开放式的石墨烯研发、检测公共服务平台；三是省政府应给予石墨烯产业非常规、高强度支持，设立专项资金给予石墨烯产业园区定向支持，同时搭建融资平台优先支持石墨烯产业；四是设立专项资金，支持天然石墨制备粉体石墨烯产业化关键技术研究和薄膜石墨烯制备关键技术研究，支持石墨烯产品开发及应用技术研究；五是以黑龙江省石墨类新能源材料工程技术研究中心和贝特瑞—哈工大联合实验室为基础，建设和申报国家级石墨新材料工程技术研发中心；六是设立专项资金，鼓励企业参与相关石墨烯国家标准的制定工作，促进黑龙江省石墨烯产业标准化建设。　　2 概念炒作帮倒忙　　虽然三部委的《意见》出台时间不久，但石墨烯这一概念却早已深入人心。国内外各大媒体相继报道了石墨烯电池、手机屏等相关产品，一些企业纷纷把发展导向引向石墨烯。几年时间里，石墨烯就已在国内以迅猛之势发展起来，不觉让人们惊奇石墨烯产业发展速度之快、产品性能之好。但是在这些“光环”和惊奇的背后，一些业内专家对此提出了质疑。他们认为，目前石墨烯产业的这种“红火”现象并不正常，而且石墨烯产业目前来说是先导产业，还没真正形成自己的产业，发展背后还存在着一定困难和问题。　　首先，炒作、急功近利现象明显。现在只要随意在互联网上搜索石墨烯，就会有大篇幅有关石墨烯、石墨烯电池的报道扑面而来。沈万慈认为，现在对石墨烯炒作得太厉害，有些东西不太真实。现在石墨烯产业确实正在发展，而且发展势头非常好，将来也会形成一个很大的产业。但是现在还没有真正形成产业。从产业发展情况看，目前制备石墨烯的技术基本具备，正在实现产业化，如宁波墨烯、常州第六元素公司等，建了每年百吨级生产线。不过真正的产量很有限，卖出去的产品更少，大多是送出去做实验用。　　哈尔滨工业大学化工学院应用化学系教授袁国辉也认为，目前，国内的石墨烯研究存在太多急功近利的行为，也存在太多的炒作嫌疑。比如，我们经常可以在媒体上看到与石墨烯有关的研究进展和某种石墨烯产品的问世，但实际进展、产业化研发和市场情况并不乐观。在石墨烯产品的产业化技术发展上，存在一哄而上、炒作痕迹明显的现象。　　那么，是什么原因造成这种现象？业内人士分析称，一是石墨烯概念炒得太火，某些新闻媒体对石墨烯应用的报道存在偏差或夸大，缺乏客观性，导致相关部门或企业对于石墨烯的认识存在误区，造成一种好像很简单，“短平快”一夜暴富的氛围。二是有个别企业想通过“引入”石墨烯，从而得到国家和政府的资金支持等。　　沈万慈认为，不同于其他新材料产业，石墨烯是一个高速发展的领域，但同时也是处于成长过程中的新领域，不是短时间内就能立竿见影看到效益。而这种一哄而上的现象，造成的最大危害则是上一大批低端同质的项目，实际上技术、人才、资金都不靠谱，最终造成浪费，给石墨烯产业健康发展帮倒忙。　　中国非金属矿工业协会石墨专业委员会副秘书长刘荣华也指出，目前全国有多个地方在规划石墨烯生产基地，功能性都差不多，未来会出现同质化竞争，最终导致价格竞争，不利于行业的发展。此外，目前大部分石墨烯企业经济实力很弱，基本都是科研院校的研究人员出来创业。而石墨烯产业是技术+资本密集型行业，这些企业持续投入研发，若没有外来资本介入，这些石墨烯企业最终会退出该行业。　　其次，产业化制备技术还需要经受市场考验。沈万慈指出，没有长时间批量生产的生产线都是不稳定的，如果有市场连续生产都会有问题。所有产业都是这样，第一批样品出来以后，在运行过程中都会不断地出现问题，不断改进，最后才能形成成熟的技术及设备。　　卢红斌认为，多数企业采用的规模化制备技术需进一步完善，这体现在多个方面，如产品质量、环保压力、工艺过程优化和批次稳定性以及下游创新性应用的开发与推广。虽然石墨烯产业链初步形成，但盈利能力不足，这往往和技术革新进步以及企业运营模式密切相关，研发投入普遍不足。　　再次，目前石墨烯生产企业多是小企业，且融资困难，在很大程度上制约着企业的快速发展。资本介入现阶段仍存疑虑，观望中居多。“从产业技术研发的企业看，国外长期系统性石墨烯研究的大多是具有雄厚实力的大企业，或者是在政府支持下进行的系统性研发，如三星、LG、IBM等国际大公司都投入大量的人力和物力，对石墨烯进行长期的系统研究。欧盟更是投入巨资，将石墨烯研究列入未来新兴旗舰技术项目，并设立专项研发计划，该计划将在未来10年内获得10亿欧元的经费。而国内多是小作坊式的企业，真正有雄厚科研实力的大型上市公司的直接参与还较少，缺乏龙头企业的引导以及雄厚的人力、物力和财力基础来支撑。”袁国辉这样表示。　　因此，石墨烯产业化还需要一段时间才能实现。沈万慈认为，去年年末出台的《意见》中指出把石墨烯打造成先导产业，但还没有形成产业。当前是从实验室走向产业化的关键时期，并没有走向产业化，短期内成支柱产业还不太可能。　　卢红斌也分析称，石墨烯制备技术虽已成熟，但是在石墨烯陆续投放市场时，还会经受市场的考验；针对下游应用领域，科研人员还要进一步完善和优化技术，针对每一个应用领域的要求，优化每一个石墨烯产品的性能和稳定性。但这个过程不是短暂就能实现的，而是需要若干年的积累。