生物基石墨烯仍需市場檢驗

　　有消息稱，石墨烯入選“十三五”新材料規劃已基本落定，預計今年將成為中國石墨烯產業爆發元年。然而，就在石墨烯步入產業化的關鍵階段，卻面臨著成本高昂、工業化難放大等多重挑戰。生物基石墨烯為大規模生產石墨烯的原料來源開辟了一條新路徑。

　　“夢幻材料”石墨烯因具備強度高、韌性好、重量輕、導電性強等優勢，帶給人們無限想象：超輕薄型飛機、超薄可折疊手機、太空電梯……

　　有消息稱，石墨烯入選“十三五”新材料規劃已基本落定，預計今年將成為中國石墨烯產業爆發元年。然而，就在石墨烯步入產業化的關鍵階段，卻面臨著成本高昂、工業化難放大等多重挑戰。

　　近日，中國科學院寧波材料技術與工程研究所研究員朱錦帶領的團隊，成功制備出高純度、高品質的生物基石墨烯，成本較傳統石墨剝離法路線大幅度降低，為大規模生產石墨烯的原料來源開辟了一條新路徑。

　　石墨烯的“兩面派”

　　石墨烯似雙刃劍，很“美好”，也很“邪惡”。

　　“美好”是因為它是目前世界上最薄、最堅硬、電阻最小的納米材料，在導熱、導電、透光性能、氣體阻隔等方面亮點頻現，廣泛應用于電子、航天、軍工、生物、新能源、半導體等諸多領域。

　　“邪惡”是因為傳統石墨烯必須以石墨或石化資源為碳源，原材料受限的同時，對環境也不友好，同時還面臨成本高昂、難以規模產業化等多重挑戰。

　　目前，制備石墨烯主要利用化學氧化還原、微機械或溶劑剝離、化學氣相沉積等方法。

　　朱錦告訴《中國科學報》記者，由于采用氧化還原法生產石墨烯的主要原料以及工藝和周期沒有取得突破，所以各個生產廠家的成本基本上都在100萬元/噸或以上，高昂的價格嚴重限制了石墨烯的應用。

　　不僅如此，氧化還原法大規模穩定生產石墨烯，在生產工藝和路線上也存在問題。朱錦說：“石墨烯在工業化放大技術上，某些生產廠家雖然一直用相同的原料和工藝參數，但是批次之間的質量差異非常大。”

　　他還表示，石墨烯雖然在復合材料、能源材料、電子以及傳感器材料的實驗室研究中，已經取得了許多令人驚異的成果，但在工業化的應用上依然存在著諸多使用限制，例如易發生團聚等問題。

　　天津大學材料科學與工程學院教授封偉也對《中國科學報》記者稱，目前，以噸/天的速度生產石墨烯還很難實現，無法滿足市場對石墨烯的需求。

　　如今，很多企業都希望借助石墨烯這一“工業味精”來提升產品的附加值和競爭力，業內預計，今年石墨烯還有望帶動50億~100億元規模的傳統產業升級。

　　而在這種行業高漲的勢頭下，開發低成本、高品質的石墨烯就成為當下研究的焦點。

　　瞄準生物質

　　石墨烯的主要原材料是碳，要想打破石化資源的限制，就需要在原材料上另辟蹊徑。

　　為此，朱錦團隊以木質素、纖維素等廉價生物質碳源為原材料，成功制備出高純度、高品質的生物基石墨烯，而且成本較傳統石墨剝離法路線大幅度降低，由每公斤數千元下降到數百元以下。

　　朱錦團隊制備的生物基石墨烯為蓬松的黑色粉末，其比表面積在400~1000平方米/克，產品的石墨化程度較高，缺陷較少，平均層數較少。

　　朱錦告訴記者，生物基石墨烯具有很多優勢。首先，原料便宜易得，不受地理限制；其次，整個生產工藝更為簡化和壓縮，對生產設備要求較低，生產周期和能耗也大幅度降低。

　　“由于原料、工藝的簡化，使得整個生產過程的可控性更好，批次之間的差異極小，因此在工業化放大過程中擁有氧化還原法不能比擬的穩定性和可靠性。”朱錦說。

　　而在封偉看來，生物基石墨烯還是一種相對綠色環保的方法，不僅避免了對環境不友好的還原劑的使用，也沒有溶劑分子的分解和有害氣體的釋放。與此同時，生物基石墨烯在產率方面也具有微機械剝離法及傳統的化學氣相沉積法不可比擬的優勢，純度也相對較高。

　　不過，由于生產方式和方法不同，用生物基來源的原料目前還無法制備大面積單層石墨烯，即使能夠制備，也會造成成本的大幅度上升。朱錦告訴記者，他們目前依然著眼于生物基石墨烯的粉料領域，在復合材料、能源材料和生物傳感器等領域進行拓展。

　　“目前，該材料已經在防腐復合材料、電池能源材料領域進行了初步的小試試驗，并取得了較好的結果。”朱錦說，“生物基石墨烯在電池電極材料等領域的對比實驗中，與傳統石墨烯的性能差別并不顯著，甚至可以說生物基石墨烯還表現出了一定的優勢。”

　　等待市場的檢驗

　　然而，與傳統的石墨烯一樣，生物基石墨烯也有著產業化應用技術上的挑戰。

　　封偉認為，如何精確控制生物基石墨烯的片層數與片層大小，以便于獲得固定層數甚至單層的高質量石墨烯是亟待解決的技術問題。同時，如何避免不同生物碳源的結構、處理過程對生長的石墨烯造成的差異性，也將是工業化過程中不可避免的問題。

　　賽迪顧問原材料產業研究中心分析師張晶晶則對《中國科學報》記者表示，作為碳源的纖維素等有機材料來源不穩定，且難以大規模收購，生產過程中還會產生廢氣等污染物，這些劣勢也會形成生物基石墨烯產業化應用的挑戰。

　　“如果能克服這些障礙，生物基石墨烯才有可能作為一種合理的方式形成大量市場需求。”張晶晶說。

　　朱錦也深知應用技術從小試到工業化規模生產的道路充滿荊棘，為此其團隊已經作好充足的準備，開始在能源和防腐領域開展應用測試，并以這些測試結果和反饋來調整生物基石墨烯產品的特性，使生產與應用產生良性循環，打造石墨烯行業的健康生態圈。

　　不過，在中國石墨烯產業技術創新戰略聯盟秘書長李義春看來，石墨烯產業發展勢頭迅猛的同時，重上游輕下游、重科研輕應用、重噱頭輕實干等現象也端倪初現，生物基石墨烯是否也會出現“泡沫化”，還需要市場來檢驗。