一、石墨烯產業發展概述
石墨烯(Graphene)是一種由碳原子構成的單層片狀結構的新材料,是一種由碳原子以sp2雜化軌道組成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜,只有一個碳原子厚度的二維材料。石墨烯是碳的多種形態中的基本結構,碳的其他形態為石墨、金剛石、碳納米管、富勒烯。
圖1石墨的幾種形態
Source:LONGMAKER研究整理
2004年英國曼徹斯特大學的安德烈·海姆教授和康斯坦丁·諾沃肖洛夫教授,在實驗室成功從石墨片中剝離出了石墨烯,證明了石墨烯可以單獨存在,并在2010年榮獲諾貝爾物理學獎,從此石墨烯走入大眾的視野,在全球范圍里掀起了石墨烯制備和應用的研究熱潮。
石墨烯堪稱超級的物理特性主要包括:
圖2 石墨烯的特性
Source:LONGMAKER研究整理
石墨烯的制備方法主要分為“自上而下”和“自下而上”兩類方法?!白陨隙隆狈ㄊ峭ㄟ^剝離石墨材料來制備石墨烯層,如微機械剝離法、氧化石墨還原法、碳納米管軸向切割法、液相分離法;而“自下而上”法是通過碳原子的重新排列來合成石墨烯,如化學氣相沉積法(CVD)、外延生長法、有機合成法等。
表1石墨烯主要制備方法的比較
Source:江蘇省科技創新協會科技政策研究中心
二、 全球石墨烯產業發展現狀
2.1全球市場概況及預測
全球石墨烯市場可以分為兩大類:即氧化石墨烯(GO)、石墨烯納米片(GNP)和其他。其他類型的石墨烯包括碳化硅石墨烯、還原氧化石墨烯(rGO)等,每一種類型都有不同的特點和用途。其中,氧化石墨烯在全球市場中份額最高,緊接著是石墨烯納米片。
圖3 全球石墨烯市場規模按類型分
(其中內環為2015年,外環為2020年)
Source:LONGMAKER研究整理
氧化石墨烯是石墨烯的一種氧化形式,以粉末形式存在。當沉積在任意基板之后,氧化石墨烯可以轉換為導體,從而可以制作導電膜、傳感傳感器、柔性電子設備和觸屏等。低廉的成本和制作簡單的特點使得氧化石墨烯是一種更受矚目的石墨烯類型,氧化石墨烯的很多物理特性(例如拉伸強度、高彈性、良好的導電性等)使得其在很多領域都有很重要的應用,如醫藥、生物傳感器、疾病檢測、高分子材料、電池中的電子材料和納米濾膜等。
和其他石墨烯類型相比,氧化石墨烯因為生產價格低廉因而在全球石墨烯市場中成長最快。隨著對環保、穩定、無毒和柔性碳材料的需求的增長,石墨烯制造商在研發領域的投入也增加,以期能夠生產出符合需求的石墨烯。
2014年和2015年,全球石墨烯市場規模估計分別為290萬美元、336萬美元。石墨烯正處于大規模產業化前夕,預計到2020年市場規??梢赃_到3.85億美元。石墨烯將在散熱材料,高性能計算系統(晶體管材料),透明顯示材料,超級電容器,鋰電,傳感器,結構材料等領域取得實際突破。到2025年,石墨烯市場規模將達到21.03億美元。屆時,超級電容器、結構材料、透明顯示材料、高性能計算材料將釋放更大的市場空間。
圖4 全球石墨烯市場規模預測(百萬美元)
Source:LONGMAKER研究
2.2 全球石墨烯產業重點區域發展概況
① 英國
英國是石墨烯的“誕生地”,但是相關研發和產業化卻落后于中國、韓國、日本和新加坡等亞洲一些國家。
為改變這種局面,近幾年,英國政府投入巨資加速石墨烯的研發。2011年,英國政府宣布投入5000萬英鎊(1英鎊約合1.52美元)支持石墨烯研究,包括建立總投資達6100萬英鎊的國家石墨烯研究院;2012年12月,英國政府增撥2150萬英鎊用以資助石墨烯材料應用領域的研究;2013年英國政 府聯合歐洲研究與發展基金會共同出資6100萬英鎊在曼徹斯特大學成立國家石墨烯研究院,由兩位諾貝爾獎得主領銜,該研究院預計于2015年初建成。 2014年,英國政府聯合馬斯達爾公司宣布繼續投資6000萬英鎊在曼徹斯特大學成立石墨烯工程創新中心,作為國家石墨烯研究院的補充,加速石墨烯的應用 研究和開發,維持英國在石墨烯及其他二維材料方面的世界領先地位。英國財政大臣奧斯本稱,英國政府將“致力于確保讓英國的發現在英國做出名堂來”。