在新材料領(lǐng)域，石墨烯受關(guān)注程度之火爆，讓人驚嘆。甚至諾貝爾獎評委會的反應(yīng)也超乎尋常——2004年，英國科學(xué)家成功地在實(shí)驗(yàn)中從石墨中分離出石墨烯，從而證實(shí)它可以單獨(dú)存在，僅6年之后，他們就獲得了諾貝爾物理獎。
作為全國石墨資源三大主要產(chǎn)地之一的青島，在這場新材料的研發(fā)與應(yīng)用中也不甘人后，不管是石墨烯的分離制備技術(shù)，還是新材料的應(yīng)用，已經(jīng)處在了爆發(fā)的前夜。
分離技術(shù)青島“出新”
一克上千元，這就是優(yōu)質(zhì)石墨烯當(dāng)前的價格。
在青島大學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地的一間實(shí)驗(yàn)室里，青大泰山學(xué)者劉敬權(quán)教授指著一個裝有黑色溶液的瓶子告訴記者，現(xiàn)在大家所用的石墨烯，大都是粉末形態(tài)，保存在溶液中，“因?yàn)樗鼈兒苋菀拙鄹皆谝黄稹?rdquo;
據(jù)記者了解，現(xiàn)在國內(nèi)多地都上馬生產(chǎn)石墨烯的生產(chǎn)線。但劉敬權(quán)告訴記者，目前這些生產(chǎn)線生產(chǎn)的基本都是“石墨微片”，也就是多層石墨烯。“完美的石墨烯，也就是單層結(jié)構(gòu)體，還沒有大規(guī)模的工業(yè)化生產(chǎn)。”
目前，石墨烯的分離制備方法有多種方式。一般來說，較大規(guī)模的石墨烯制備都是采用氧化還原法，“因?yàn)橐玫綇?qiáng)酸等強(qiáng)氧化劑，對環(huán)境影響比較大，而且生產(chǎn)出的石墨烯片小，會產(chǎn)生逆向聚集。”劉敬權(quán)說，這也就是為什么實(shí)驗(yàn)室里的石墨烯要保存在溶液中。
在如何有效分離出單層石墨烯并降低成本的道路上，劉敬權(quán)和他的團(tuán)隊已經(jīng)邁出了關(guān)鍵一步。“諾貝爾獎得主分離石墨烯的方法是用膠帶一層層剝離，這種方法顯然不能用于大規(guī)模生產(chǎn)。”但這種方法啟發(fā)了劉敬權(quán)，通過兩年的研究，他發(fā)明了新的方法。
“氧化還原法剝離出來的石墨烯，表面會破壞其結(jié)構(gòu)，而且容易集聚。我們就是要研究如何避免這兩個問題的出現(xiàn)。”劉敬權(quán)的辦法，是以高分子作為媒介，采用物理剝離法，實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)已經(jīng)成功分離出石墨烯，證明了這種方法的可行性。
研究基本與世界同步
對于石墨烯的研發(fā)應(yīng)用，青島市科技局已經(jīng)立項攻關(guān)，項目經(jīng)費(fèi)達(dá)300萬元，包括從石墨烯的分離方法到實(shí)際應(yīng)用。
在中科院青島生物能源與過程研究所，崔光磊研究員帶領(lǐng)的團(tuán)隊，正在進(jìn)行將石墨烯應(yīng)用于鋰電池以及電容器上的研究。
崔光磊的助手逄淑平副研究員告訴記者，“從鋰電池上的應(yīng)用來看，用石墨烯取代炭黑，可以大大提升電池的充電效率。”逄淑平表示，導(dǎo)電性好，表面積大，是石墨烯作為鋰電池新材料的最大優(yōu)勢。
逄淑平告訴記者，由于石墨烯具有許多特性，因此其產(chǎn)業(yè)前景非常廣闊，除了能充當(dāng)手機(jī)充電器、汽車鋰電池，另外在電子、航天軍工、生物、新能源、半導(dǎo)體等領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用潛力，“石墨烯將徹底改變21世紀(jì)。”在石墨烯的“誕生地”曼徹斯特大學(xué)，研究人士們這樣預(yù)言。
國內(nèi)外對石墨烯的研究可謂風(fēng)起云涌。比如寧波已開工年產(chǎn)300噸石墨烯的項目，重慶、上海等地的科研機(jī)構(gòu)和企業(yè)也有許多相關(guān)的成果宣布。目前全球有200多家公司涉及石墨烯的相關(guān)研究和開發(fā)，其中不乏IBM、英特爾以及三星等科技巨頭。
“中國在石墨烯的研究上，基本與世界保持同步。”劉敬權(quán)說。根據(jù)英國科技策略機(jī)構(gòu)劍橋知識產(chǎn)權(quán)公司的最新數(shù)據(jù)顯示，截至2012年年底前，英國企業(yè)和院校的石墨烯相關(guān)專利共有54個，中國的相關(guān)專利數(shù)量是其40倍，美國是其30倍。過去幾年中，亞洲地區(qū)特別是韓國和中國的石墨烯專利活動顯著增加。
“一兩年內(nèi)，這個產(chǎn)業(yè)將會爆發(fā)?，F(xiàn)在是爆發(fā)的前夜。”即使離最終的產(chǎn)業(yè)化還有相當(dāng)?shù)木嚯x，但劉敬權(quán)仍然認(rèn)定自己的判斷。
一個全新產(chǎn)業(yè)即將誕生
石墨烯在青島的研發(fā)，也正在進(jìn)入這樣一個前夜。
在劉敬權(quán)辦公室旁邊的一間屋子里，兩臺機(jī)器剛剛到位。劉敬權(quán)告訴記者，這是他們訂制的中試設(shè)備，石墨烯的分離制備即將進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室的中試階段，“實(shí)驗(yàn)室中試主要是調(diào)整配方和工藝，大約三個月的時間吧，然后進(jìn)入企業(yè)中試。中試階段，我們就能達(dá)到年產(chǎn)百公斤石墨烯的能力。”劉敬權(quán)對中試的成功沒有任何懷疑。
逄淑平表示，從鋰電池的應(yīng)用研究上看，他們現(xiàn)在已經(jīng)具備了中試能力。但在他看來，要想真正地實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，石墨烯的成本與處理工藝仍是困擾著科研人員與企業(yè)的兩大難題。
石墨烯產(chǎn)業(yè)的發(fā)展在青島有著得天獨(dú)厚的優(yōu)勢。中國石墨在世界上儲量第一、產(chǎn)量第一、銷量第一、品種最全。我國石墨礦產(chǎn)儲量為20億噸，占世界石墨礦石總儲量的72%，產(chǎn)量占全球產(chǎn)量的80%。作為全國石墨資源三大主要產(chǎn)地之一，青島市占全國石墨礦產(chǎn)儲量的22%。
據(jù)記者從市科技局獲悉，在石墨烯研發(fā)應(yīng)用的立項中，也包括了青島的相關(guān)企業(yè)。“已經(jīng)有企業(yè)認(rèn)識到了石墨烯作為新材料所具有的廣闊應(yīng)用前景，并愿意在這方面加大投入。”市科技局相關(guān)負(fù)責(zé)人說。
有資源優(yōu)勢，科研機(jī)構(gòu)和企業(yè)的結(jié)合，一旦能突破關(guān)鍵技術(shù)，青島將迎來一個極具生命力的全新產(chǎn)業(yè)。
