从实验室到市场,石墨烯如何实现华丽转身?

时间:2015-07-07 来源:网络 作者:佚名 收藏到我的收藏夹
简介:尽管这种神奇材料——石墨烯的产量惊人,但是其商业的成功却还远未实现。 英国曼彻斯特市正在准备一个石墨烯盛典——2015石墨烯周,预计将于6月22号开始,该盛典关于奇迹材

尽管这种神奇材料——石墨烯的产量惊人,但是其商业的成功却还远未实现。

英国曼彻斯特市正在准备一个石墨烯盛典——2015石墨烯周,预计将于6月22号开始,该盛典关于奇迹材料的会议和庆祝必定会让600多名参会者感到开心。但是,石墨烯的商业前景却并不乐观。

这种原子厚度的碳薄片正在以破纪录的量进行制备,并已顺利制备成一批醒目的小玩意。但令专家担心的时,石墨烯的生产远远超过需求,并且在许多目标应用领域,该材料与现有技术相比只具有边际效益。

总部设在加利福尼亚州旧金山的LuxResearch市场-情报公司,高级分析师RossKozarsky 说:“目前我们有很大的生产能力但没有太大需求,因为在这个过程中,我们还没有看到任何令人信服的技术。”

这类似于碳纳米管变迁的轨迹,它曾经被吹捧为变革,但到目前为止还没有产生显著的商业影响。Kozarsky说:“相对于下一个硅,石墨烯看起来更像下一个碳纳米管。”。在2014年的一个报告中,Lux预测,到2025石墨烯的全球市场价值将为349百万美元;相比之下,英国曼彻斯特大学估计,石墨烯已经吸引了$24亿的研究经费(见“市场增长”)。

一些科学家正越来越沮丧,因为企业们并没有争先恐后的要使用该材料,欧盟十亿(约合11亿美元)石墨烯旗舰研究计划的创新代理人Helena Theander说,该计划成立于2013年,致力于十年内将石墨烯从实验室推广到市场。

自从曼彻斯特大学的Andre Geim和Konstantin Novoselov首次分离出石墨烯材料(K.S.Novoselov等,科学306,666-669,2004)并以此赢得了2010年诺贝尔物理奖,研究人员就一直受制于石墨烯的特性。石墨烯是透明的、灵活的,具有非常大的强度,穿过它电子放大,它的热传导比铜好十倍。热衷者期待这些品质能推动石墨烯有几十个商业应用,从柔性电子产品到强度大、轻质的复合材料。

石墨烯过剩

这引发了石墨烯制备的狂潮,尤其是在中国(见“制造热”),政府将资金投注到六七个“石墨烯产业园区”,他们包含了科研院所和生产企业。厂家享受着基础设施成本降低的优势,并且不需要偿还政府补助。石墨烯在中国的大规模生产主要分为两类:薄膜,可以用作触摸屏的透明电极,例如,取代目前使用的脆的氧化铟锡(ITO);纳米片,由石墨烯薄片堆积形成的黑色粉末可以应用于很多方面,如电池的电极,它们的高表面积可帮助存储更多的电荷。

石墨烯产品开始出现。去年,来自中国无锡的AWIT,将 2000多台石墨烯触摸屏手机投入市场。3月,中国深圳市的银河微系统公司发布30000部使用石墨烯触摸屏、箱体和电池的手机(请参阅“电池和电话规则”)。但Kozarsky表示,一些纳米薄片生产商以低于成本的价格销售他们产品的方法来解决过剩问题。虽然石墨烯薄膜工厂已经报出听起来让人印象深刻的生产能力数据,但这些有时是被用为“营销工具”,位于常州石墨烯公园的江南石墨烯研究院副院长Guocai Dong说。 “大部分的生产量没有被使用,”他说。

这种不匹配的一个原因是石墨烯薄膜还是不能在价格上击败ITO。该膜是通过甲烷气体与氢气的混合原料在热的铜箔上生长的,这个过程被称为化学气相沉积(CVD)。Dong说,铜箔加热,保持干净的房间和从铜箔上分离石墨烯等步骤,使得最终成本高达每平方米400元(64美元),大约是ITO的两倍。虽然石墨烯具有灵活性,可为可穿戴设备增值,但是奇迹材料必须击败其他觊觎ITO宝座的竞争者,包括银纳米线网格,这已经开发更长时间了。

 

需要一种新的方法来进一步压低制造成本,铜箔CVD法的开创者Xuesong Li(X. Li等科学,324,1312-1314;2009)说。去年,李创办了一家在纽约市的公司LasLumin,旨在使用比潜在爆炸性甲烷和氢气混合气体更容易操控的原料,削减石墨烯的制造成本。他补充道,石墨烯薄膜可以在创新的化学传感器等方面寻找更有利可图的应用,而不是试图取代一个既定的材料如ITO。


从实验室到市场

中国还在石墨烯专利领域占主导地位(参见“专利王”)。 SIO Grafen,瑞典哥德堡的创新项目,支持石墨烯产业的发展,三月份报道称,经它调查,中国实体持有七大类授予的所有石墨烯专利权的45%。这不仅仅是中国的最接近的竞争对手美国份额的两倍。然而,大多数的中国专利是国内注册的,而不是全球的,并且他们往往不如美国专利引用的频繁,这表明他们可能不会对石墨烯的长期商业发展产生多大影响。

石墨烯旗舰计划将专注于质量和创新。怀着这种信念,Theander已经营了七家石墨烯连锁公司,专门将一些小型和中型公司介绍给石墨烯的研究人员,并会在石墨烯周期间举办另一个。但她说,因为太早了还没有具体成果:“培养信任和新的关系需要时间,所以我想大概一两年后我们才会有真正的成功事迹”。

曼彻斯特大学的国家石墨烯研究院(NGI)的业务主管James Baker表示,类似的方法已经证明是成功的了。NGI拥有差不多40个行业合作伙伴来资助在大学的工作。其中最大的公司,在曼彻斯特的BGT材料,有一个名为石墨烯照明的子公司,3月推出了“石墨烯灯泡”。灯泡实际上是一种涂覆有石墨烯透明薄膜的常规发光二极管(LED),它们比传统的金属元件更有效的避免发热,提高了LED的效率和寿命。该公司希望在未来数个月内开始灯泡销售。

同时,Baker指出,跨国运动器材公司负责人已经推出了一系列框架由少许石墨烯增强的网球拍。

这样的利基应用是一个开始,但如果石墨烯要实现如石墨烯旗舰预期的商业潜力,它需要找到一个定位,可以极大地、可靠地表现出比现有技术更好的性能,并具有合理的成本。

Baker认为,答案就在于创建依赖于石墨烯特性的设备-例如柔性电子产品,或具有变革性的全球性影响,比如海水淡化膜。但该产业才刚刚起步,他说:“其潜在的应用太多,以至于很难判断哪个才是最佳的。

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