“新材料之王”中国储量居全球前列 石墨烯技术点亮绿色未来【BOB博鱼·(Boyu)】

2024-10-07 08:57:01　　点击量：624

本文摘要：石墨烯，被誉为“黑金”“新材料之王”。

石墨烯，被誉为“黑金”“新材料之王”。中国的石墨基础储量大约占到全世界的三分之一（还有数据称之为占到一多半），由石墨派生出来的石墨烯作为最前沿的新材料，用途过于大、过于神秘了，乃至有科学家应验，石墨烯将“转变21世纪”。那么，作为主导未来的战略新兴材料，石墨烯在国计民生和环保领域有哪些相当可观的应用于前景呢？非洲国家莫桑比克的巴拉马有世界仅次于石墨矿，今年以来该矿场早已转至设备调教阶段，产量逐步下降。“新材料之王”横空出世石墨烯是一种由单层的碳原子密切排成二维的蜂巢状六角格子的物质，全然由碳元素包含。

半个多世纪以来，科学界曾多次普遍认为这样的二维材料是一种假设性结构，无法平稳地分开不存在。以后2004年，英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·海姆和他的学生康斯坦丁·诺沃肖洛夫，顺利地在实验中从石墨中分离出单层的石墨烯，从而证实它可以分开不存在。两人也因为“在二维石墨烯材料的开创性实验”，意味着在6年后就联合取得2010年诺贝尔物理学奖。

2010年诺奖颁奖典礼上的英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·海姆和他的学生康斯坦丁·诺沃肖洛夫。这次得奖激怒了科学界和产业界，之后几年间石墨烯的研究在许多领域获得了进展。由于碳原子之间化学键的特性，石墨烯很坚强：可以倾斜到相当大角度而不脱落，还能抵抗很高的压力。

而因为只有一层原子，电子的运动被容许在一个平面上，为它带给了全新的电学属性。人们目前早已告诉石墨烯是世上最厚却也是最柔软的纳米材料，它完全是几乎半透明的较好导体，电阻率比银更加较低，为目前世上电阻率大于的材料。由于它的电阻率极低，电子的移动速度很慢，因此被期望用来发展出有更加厚、导电速度更慢的新一代电子元件或电晶体。

业界指出，石墨烯在电子信息、光通讯、新材料、节能环保、医疗身体健康、航空航天以及国防等牵涉到国计民生和国家安全性的领域，具有辽阔的应用于前景，未来将会带给革命性的技术变革。未来石墨烯产业市场潜力极大，欧盟、美国、韩国等国家和地区争相将石墨烯新材料研究提高至战略层面。那么，石墨烯材料在节约能源和环保领域有何应用于前景呢？石墨烯“筛子”能淡化海水淡水资源缺乏的问题正在威胁着世界上更加多国家的饮水安全性。

随着气候变化的激化，不少城市的淡水供应量将大大上升。许多国家开始将目光改向了完全是无限供应的海水，增大海水淡化装置的研发力度。

石墨烯材料给当下无法低成本推展的海水淡化技术，带给了新的机遇。2012年7月，美国麻省理工学院发文称之为，该校研究人员利用石墨烯研发出有了一种海水淡化的新方法。

这种方法的原理是通过准确掌控多孔石墨烯的孔径并向其中加到其他材料的方法，转变石墨烯小孔边缘的性质，使其需要敌视或更有水分子。这样一来，这种特制的石墨烯就如同筛子一样能较慢地滤掉海水中的盐，而只留给水分子。新工艺的关键是十分准确地掌控石墨烯孔洞的大小。

研究人员称之为，最理想的大小是1纳米，无法太大也无法太小，如果过于大了盐之后不会和水分子一起通过筛子，起将近过滤器的起到；如果太小水分子就无法通过这些小孔。计算机仿真结果显示，这种石墨烯筛子的性能十分杰出，需要较慢地已完成海水淡化过程。这种方法尽管理论上不切实际，但是它依然很难被应用于实践中。

直到2017年，“筛子”的研发才有了新的曙光，来自英国曼彻斯特大学的科研团队研发了一种能杂讯海水中盐分的石墨烯筛子。以往当水解石墨烯薄膜被洗净在水中时，不会经常出现一定程度的收缩，使得盐分子需要击穿膜上的小孔而约将近过滤器效果，曼彻斯特大学的专家则用环氧树脂避免了薄膜的收缩，从而使得根据必须调整盐的过滤器程度沦为有可能。石墨烯用作海水淡化的原理示意图。

红白球是水分子，绿球是盐分，中间的石墨烯筛子可以只让水分子通过。反观目前海水脱盐最常用的反渗透技术，原理上是用一种特制的膜来过滤器海水中的盐。但由于这些薄膜上的小孔十分颗粒，必须十分大的压力来被迫海水通过薄膜，因此在淡化时必须用于水泵断裂海水，消耗能源十分多。相比之下在完全相同的压力下，用于石墨烯新技术在过滤器速度上哈密顿反渗透薄膜技术慢数百倍，因此可以节约更好的能源。

柔性半透明的石墨烯太阳能电池光伏电池是当下可再生能源的主力军之一。但在当今的城市里，人们找到随着楼层越建越高，一天之中阳光照在地面和屋顶的时间更加较短。少见的太阳能电池板已无法符合市场需求，人们急切需要像玻璃一样半透明，能加装在更好场合或建筑侧面的电池板材料，这给石墨烯材料以新的用武之地。目前，太阳能电池生产中最普遍用于的材料是铟锡氧化物（ITO），这种材料的导电性和透明性都符合要求，但其硬度低，因此更容易倒下。

另外，作为稀有金属，铟用来生产太阳能电池使电池成本居高不下。石墨烯层是用随处可见的碳做成的材料，不仅导电性低、可倾斜和半透明，而且制成的电极只有1个纳米薄，更加合乎超薄有机太阳能电池的市场需求，因此未来将会沦为替代目前主流材料的最佳自由选择。2012年底，美国麻省理工学院的研究人员研制出一种在柔性石墨烯片上涂覆纳米线的新方法，为生产出有低成本、半透明以及柔韧性欠佳的太阳能电池获取了不切实际的路径。

5年后，麻省理工学院的研究人员一城一城，研发出有一种生产柔性半透明的石墨烯太阳能电池的技术，使之能被加装于各类物质表面上。2017年7月，美国麻省理工学院在展出研发的所含石墨烯材料的半透明、具备弹性的太阳能电池。2017年，清华大学材料学院朱宏大教授在评价石墨烯在太阳能电池、光电等领域的应用于研究时指出，当下石墨烯在光伏、光电领域的应用于与在锂电池等领域比起还很不成熟期，主要原因是高质量、大面积的单层石墨烯薄膜规模化制取技术还不成熟期，业界还必须之后希望。石墨烯智能卡或将替代塑料卡今年6月，联合国警告说道塑料污染正在围困地球，管理源头势在必行。

关上抽屉和钱包，数数大家各自有多少张银行卡、会员卡等塑料卡片吧。意味着在英国，每个月就有将近6000万张信用卡和其他银行卡在流通用于。

卡片的繁复不仅大大增加了人们的金属制工作量和生活不便程度，而且消耗了为数相当可观的塑料材料，增大了塑料污染管理的可玩性。以石墨烯研究、制取、工业化应用于居多的西班牙研究机构“石墨烯纳米”（Graphenano），几年前曾以创新性的石墨烯聚合物电池震撼业内。该机构向大众展出的众多前景是，一张石墨烯智能卡可以转变这一切，它堪称需要将所有个人的信用卡、交通卡、会员卡甚至登机牌和火车票信息涵盖一起，从源头上大大减少塑料废弃物。石墨烯智能卡有望替代大量的塑料卡今年3月，有消息透露称之为欧洲的研究团队在研发高度灵活性、低导电性的碳基天线方面获得了进展。

该技术使用填充石墨烯多层膜，用仅有由碳原子构成的新型天线代替了经典的全金属天线。用于该技术加工出的近场通信设备（NFC），不必须在加工过程中对金属展开化学转印或展开高温热处理，具备更加耐腐蚀和化学稳定性低的优点，可以映射可穿着电子设备，也没重复使用装置将重金属离子获释到环境中的危险性。

如此轻巧、低廉的碳基材料毫无疑问具备相当大的环保吸引力。石墨烯电子纸前景无限在电影《哈利波特》里面，英国魔法界第一大报《预言家日报》给无数影迷留给了深刻印象，报纸上的人物形象能说道不会动，真是就是一张可拆卸的多媒体显示器。许多观影者不会不约而同地逸想起同一个问题：这样的报纸何时回到身边？迅速，电子纸技术为构建这一梦想获取了可能性。

电子纸被学术界称作“造纸术的革命”，是报刊杂志、书籍出版发行电子化及物联网界面显示最理想的载体，但由于以铟为主要材料的表明薄膜的全球储量和研发前景受限，造成电子纸表明技术推广有限且价格居高不下。2014年9月，英国剑桥大学石墨烯中心和英国“塑料逻辑”公司，联合生产和展出了第一张基于石墨烯的电子纸。

他们使用的技术是用于电场重新排列溶液上的漂浮粒子，使之表明出有图像。这种显示屏与如今的电子阅读器显示屏很相近，不过它没使用玻璃材质，而是搭配了软塑料，当然这也是首次将石墨烯技术应用于在基于晶体管的电子设备上面。2014年9月，英国剑桥大学石墨烯中心和英国塑料逻辑公司联合推出的柔性电子纸。

由于电子纸可以在倾斜状态下之后表明数字内容，这是一个可谓里程碑的时刻。其意义恨某种程度是大大减少纸张浪费，让印刷出版发行行业“更加蓝”，而是以低于的成本、最便利的生产解决方案，研制出性能更加优良的超级电容和太阳能电池等。

共创未来，这项技术将不会应用于在高分辨率的医疗图像系统和低精准的手势辨识应用程序上。2016年夏天，土耳其比尔尼克大学研究人员将一张普通的打印纸垫在两层石墨烯膜（由多层石墨烯包含）之间，使其变为了一种柔性电子纸。

他们还将石墨烯化学键出多像素模式，把纸剪成三维形状，在上面打印机出有彩色图案，展出了不同于晶片技术的另一类效果。2018年6月5日，广州奥翼电子月向外界公布了近零功耗、高性能、可量产的彩色电子纸显示屏。同在2016年，中国也研发出有了自己的石墨烯电子纸。

广州奥翼电子科技股份有限公司与重庆墨希科技有限公司在历时将近一年的艰难研制后，双方共同开发出有石墨烯薄膜以及电子墨水配方和填充物工艺，使电子墨水需要涂覆于石墨烯薄膜上，构成石墨烯电子纸。今年6月5日世界环境日当天，广州奥翼电子公司月向外界公布了近零功耗、高性能、可量产的彩色电子纸显示屏。这一技术将我国电子纸的性能提高到一个新高度，也为石墨烯的产业化首创了一个全新的空间。

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