石墨烯是什么?会是下一次工业革命的核心吗? - 小众知识

石墨烯是什么?会是下一次工业革命的核心吗?

2013年01月27日 14:18:05 苏内容
  标签: 石墨烯/工业革命
阅读:7328
一觉醒来,这个小半年之前的答案忽然骗了好多赞,感觉受宠若惊。可我不是石墨烯工作者,但是我错误犯得太多了。毕竟图样。
所以不更不是中国人!
答案1.1新版本推出!
新版本特性:
1. 纠正部分笔误与低级错误。(比如 @王浩同学提到的笔误,与@朱一凡 同学提到的派件问题) 
2. 石墨烯部分特性的完善与注释。(感谢 @渠志倍 同学的斧正) 
3. 方大碳素相关技术的注释。(感谢@冰冰 同学补充)
4. 部分版权说明
———————————哥———————————
装逼癌晚期,先让我发作一下。

石墨烯(Graphene)是一个很笼统的概念,一般代指那些具有由碳原子所组成单层片状结构的一类物质。
这种片层结构,几何上就是简单的六角形的堆叠,同蜂窝一模一样。
是不是很像?

这种结构形成的原因是,每个碳原子的一个s轨道与3个p轨道中的两形成原子轨道发生sp2杂化,形成三个sp2杂化轨道,分别与相邻的碳原子的一个sp2杂化轨道形成共价键。由于三个sp2杂化轨道地位相同,且处于同一平面,这三个共价键互相成120度角。于是便形成了这种单一平面的蜂窝结构。
另外插一句,苯环之所以具有着平面正六边形结构,也是因为如此。这是苯酚的电子轨道示意图:
暂时忽略苯环旁边的白色氢原子和红色氧原子,除了三个sp2杂化轨道外,还剩下一个未成键的光棍电子——剩下的p轨道(就是图中垂直平面的灰色哑铃状东东)。这六个碳的p轨道由于挨得太近,加上6个电子都未参与成键闲来无事,经常互相串门走亲戚搅基抱团取暖,走得多了也就我中有你不分彼此,成为一个大家庭——一个π键。(此段有修改,估计有骂声)
所以个人认为,在化学式中书写苯环的话,像这样单双键交替是不准确的:

个人认为严格来说,应该画成这样,表示拥有一个公用的大π键。

同理,对石墨烯来说,同样存在这样一个平行于片层平面、超级巨大的π键。

说到石墨烯,不得不提首先提一下石墨。石墨(Graphite)是一种天然大量存在的物质,其主要结构即使上面提到的片状结构的层层堆积(当然,天然的矿物想要它结构上完美是不可能的)。
这就是石墨理想结构示意图:
这种独特的结构赋予了石墨两种特别的性能:
1. 优良的导电性能。上面提到,片层中的超大π键能够提供足够的自由电子,所以石墨是一种性能优异的导体。当然,同样道理,导热性也会很好。
2. 发滑,结构不稳定,强度低。片层结构之间阻力很小,容易发生相对滑动。铅笔的笔芯就是通过调节石墨和粘土的比例关系来调节色深、滑涩。石墨粉还在很多情况下做润滑剂使用。

所以,石墨烯可以从石墨中提取(当然还有其他制备方法)。所获得的单层石墨烯片层具有很多优异的特点(虽然让大片的石墨烯单层完全铺展开来比较难):
1. 超薄平面:仅一个碳原子的厚度。
2. 导电/热性:大π键,严格地说是单层内部的导电性,且不同于金属导体的自由电子导电原理。(以及因为单层的大派件而产生的其他独特的电学/物理学性能,请各位参考下面 @渠志倍 童鞋的答案)
==================================================
石墨烯最大的优点是其独特的能带结构,它是零禁带宽度半导体。
有关其电子结构,很专业又很抽象,维基百科里有很好的gif演示,感兴趣的可以去看。
Graphene
其独特性在于,其导电的媒介——电子,表现为室温下就能稳定存在的零质量狄拉克费米子。这使得电子在石墨烯上传导时,能量损耗极低。
这一独特性质,又使得石墨烯在室温下就可观察到反常量子霍尔效应。这一效应,是石墨烯在下一代计算机革命中如此重要,如此具有价值的关键,也是石墨烯发现者能获得诺贝尔物理奖的核心贡献。
因为在石墨烯被发现之前,量子霍尔效应只能在半导体的膜(Film)和异质结的界面上短暂出现,并且所需温度又极低(接近绝对零度)。石墨烯的发现,使得量子霍尔效应大大容易被实现。
==================================================
3. 高透光性:单原子层平面,几乎透明。

这些特点,将会有很多的应用:
1. 请看报道:
用石墨烯制备出7寸触摸屏 重庆造屏幕可以卷起来
能实现这样功能的原理想必大家就明白了。另外,良好的导热性会有助于屏幕散热哦。
2. 超级电容器,在单位厚度里能够容纳更多层的电容,实现大规模电荷储存成为可能。
其他用途可以自己头脑风暴。
3. 各向异性,不同方向的电学性质不同,比如 @渠志倍 博士提到的在半导体领域的应用。

但是,你以为单层的碳原子平面会一直老老实实处于平铺状态?你们还是too simple啊。
上图:
1. 团成一团,圆润离开。 形成叫富勒烯(Fullerene)的东东,这其中有一种就是大名鼎鼎的C60,又名足球烯。
当然不止这一种:
当然还有更加复杂的结构,比如大球套小球,小球套虾米。还有好事者套了其他一些纳米粒子:

2. 最最朴实的——滚。这一滚,滚成了碳纳米管(CNT, Carbon Nano-Tube),
嵌套自然少不了

当然少不了两者的结合,豌豆做的特别脆:
还有更凶残的,跟各种奇形怪状的聚合物、纳米粒子结合[1]
通过控制栅格电压不同,借助CNT的导电实现纳米粒子RGB三个基团显色,碉堡了。想象一下,如果屏幕的分辨率远超视网膜屏……

至于其他的情况,少年们,展开想象的翅膀吧……

综合上面的情况,这样结构特殊的石墨烯具有:有限的局部导电性+较为规则受限空间。所以就有了更多更广泛的应用,什么大规模集成电路啊、高效催化体系啊、超导啊、海水淡化啊、人造肾脏啊等等等等。
不过这个严格来说,就是纳米技术的贡献(C-C键0.142nm,尺度大家自己算吧),而非石墨烯单独的功劳。

这一块现在在材料界特别火,文章名沾上CNT啦、Graphene啦一定都是高大上的文章。不过这些成果距离实际大规模生产运用还有很长的路要走,大部分处在骗钱阶段。实验室那帮孙子为了发文章吹牛逼已经丧心病狂了……

装逼癌发作结束,下面回答问题。
--------------------------------------------------割---------------------------------------------------
首先,关于"最近国内方大碳素获得中科院独家授权的什么技术。"以及“还有一个好奇的事,中科院是怎么鼓捣出来的,是有什么大牛回国了吗,有人知道内情不,好奇好奇。”

我平时两耳不闻窗外事,新闻一般只看香港记者弄出来的大新闻,和模玩相关。网上找了一下消息来源:
方大炭素与中科院上海研究所合作 研发核级石墨材料
  据协议,双方将联合研究国产核级石墨在钍基熔盐固态燃料实验堆和钍基熔盐液态燃料实验堆中的适用性和可靠性,联合开发石墨与熔盐相容性评估技术,形成未来先进核能国产核石墨工程应用的核心竞争力。
  合作方式初步确定为联合研究、技术咨询、技术服务或双方认可的其他方式。双方同意共同设立“熔盐堆用国产核石墨研发中心”,研发熔盐堆用核级石墨材料。联合申请国家和地方石墨材料项目支持,以进一步支持相关研发工作。
从这篇文章看,研发的这一个技术为“国产核级石墨在钍基熔盐堆工程”。
注意是“核级石墨”而不是“石墨烯”。
其次,是“联合研究、技术咨询、技术服务”。是双方合作开发(当然,中科院的决定权也是很重要的)。

什么是“核级石墨”?
网上随便拖一篇文章[2],里面写到:
石墨是优良的中子慢化剂,并具有良好的抗热冲击性能,石墨结构是高温气冷堆的堆内主体结构。
……
核级石墨牌号的制备工艺有所不同,导致石墨微观结构各异,因此,石墨的辐照性能特别是辐照变形在总体趋势类似前提下仍有较大差异。这些差异将导致石墨堆内构件在高温辐照状态下变形和应力的发展产生较大的差别,从而影响石墨在堆内的服役寿命。
……
说白了,就是寻找合适的制备石墨(注意是石墨,而不是石墨烯)的工艺,生产用于核反应堆的结构件。


同时,查询方大碳素百度百科:
方大炭素新材料科技股份有限公司
里面写到:
主要产品:超高功率、高功率、普通功率石墨电极;微孔炭砖、半石墨质炭砖、铝用炭砖和各种矿热炉用内衬炭砖;等静压石墨;特种石墨、生物炭、炭毡和炭/炭复合材料等。产品广泛应用于冶金、化工、有色、航天、航空、医疗等领域,销往全国30多个省市,并出口至美洲、欧洲、东南亚、中东、非洲等40多个国家。
  主导产品石墨电极的年产量18万吨,50%出口海外市场,50%供应国内主要钢厂。
全是石墨或碳素制品,高大上的石墨烯没发现……
(实际上,人家也是有石墨烯的相关技术的,也许是不太成熟吧,请参考该问题下@冰冰 同学的答案。抱歉@不上人,叫冰冰的好多)

至于有什么内幕,是为了圈钱虚晃一枪,还是处于国家战略忽悠的需要我就不清楚了……

其次,关于“因为听说十三五规划会把石墨烯产业化加入到规划中”

继续上新闻:
石墨烯有望进入新材料“十三五”规划

北京碳世纪科技有限公司相关人士对笔者表示,不能对石墨烯新材料产业化的进程过于“苛刻”。“石墨烯的工业化生产手段虽然已经找到,但还在进行工业化生产的前期准备,并未实现真正意义上产业化、工业规模化生产。石墨烯的产业化进程仍面临较长周期。”

在产业化方面,碳世纪公司相关专家认为超级电容器和柔性透明电极材料将是石墨烯应用较快的两大领域。而随着工信部、科技部等部委相关扶持政策的落地,石墨烯产业化的脚步也有望提速。


最后,关于“到底会对未来产生什么影响呢?”以及“石墨烯会是下一次工业革命的核心吗?”

有积极作用,但尚未达到“工业革命”的水准。私以为,所谓“革命”应该是从根基上彻底的质变。而石墨烯对工业的进步只起到了量变的作用,屏幕可以掰弯、超大电池容量、更小巧美观的电子设备,这些都是信息时代,也就是上一次工业革命的进一步发展与延伸。如果说真有下一次工业革命的话,我认为将是“纳米技术”或者说“材料科学”所创造的。真到了那一天,那些现在还是处在发论文骗钱阶段的技术能够真正成熟并为我们所用,微观世界将彻底改变我们现在的宏观世界。

------------------------------------------------割--------------------------------------------

P.S. 相比于石墨烯产业,我国现在更需要的是碳纤维产业的大力发展。碳纤维是由片状石墨微晶定向排布形成的具有高强度的材料。除了其高强度外,碳纤维还具有重量轻、可纺织等优点,在军用(航空航天、大飞机等)和民用(比如很多金属件的轻量化,比如汽车、自行车等)领域有着广阔的市场。
碳纤维最主要的制法是聚丙烯腈碳化法,即先将丙烯腈单体聚合成聚丙烯腈后纺丝,得到聚丙烯腈纤维(就是我们平时所说的腈纶),所得到的纤维进行加热碳化后除去其他非碳原子得到比较纯净的纯碳链,最后在高温中进行石墨化。
我国的碳纤维产业尚处于幼年阶段,同国外还有相当的差距,业内很多也只是从国外进口原料后做预浸料。关乎国防安全的大飞机项目迟迟不见进展,除了发动机等其他制约因素外,碳纤维未国产化而国外又限制出口也是一大硬伤。


胡扯一通,不知所云!

参考文献:
[1]. Sung Hwan Cho, Seong Soon Jo, et al. Extremely Bright Full Color Alternating Current Electroluminescellce of Solution一Blended Fluorescent Polymers with Self-Assembled Biock Copolymer Micelles. ACS Nano, 2013, 7 (12), pp 10809–10817
[2].王海涛,于溯源,核级石墨辐照变形对辐照应力和寿命的影响, 原子能科学技术, 2008, Vol.42

本文图片均来自网络与文献插图。

==================================================

相对其他材料石墨烯就是个学神:门门功课考第一,拿第一还不成,这娃还非要成倍碾压!!!

在被发现之前,石墨烯仅仅存在于化学家们的理论之中,因为在严格意义上的二维原子晶体理论,热力学上严格和独立的二维原子晶体是不稳定的。直至2004年,英国英曼彻斯特大学物理学家安德烈·海姆(Andre Geim)和康斯坦丁·诺沃肖洛夫((Konstantin Novoselov)在实验室里独创地使用胶带粘揭法,成功分离出自由状态的石墨烯,两人也因此共同荣获2010年的诺贝尔物理学奖。
从2004年论文发表,到2010年诺贝尔物理学奖仅6年时间!

石墨烯的命名来自英文的graphite(石墨)+-ene(烯类结尾),名字来源也很简单,研究员就是从石墨上用胶带剥离下来的。

富勒烯(Fullerene)

碳纳米管(SWCNT)

多壁碳纳米管(MWCNT)

石墨烯(Graphene)

碳纳米锥(Nano cone)

纳米金刚石(Nano diamond)


一.性质
石墨烯是一种碳纳米二维材料,原子以sp2杂化轨道方式构成,平面像六角的蜂巢结构,质料非常牢固坚硬,在室温状况,传递电子的速度比已知导体都快,而全材料仅一个碳原子厚度,是全世界已知材料最薄的。
1.力学性质:已知机械强度最高的材料
美国哥伦比亚大学的两名华裔科学家李成古和魏小丁研究得出的,石墨烯是人类已知机械强度最高的材料,它的杨氏模量高达1TPA,比钢铁还高200倍。
2.热学性质:导热性能天下第一
石墨烯的导热性能优于碳纳米管。普通碳纳米管的导热系数可达3500W/mK,理论值甚至高达6000W/mK,是目前导热率最高的天然材料金刚石的2.5倍。
3.光学性质:特长

因为独特的能带结构和零带隙特征,石墨烯有两个惊奇的光学性质,石墨单层对可见光仅2.3%的吸收,透明度为97.7%。

非线性光学吸收特性,表现出在强光照射时,对红外等波段吸收良好,当光强超过阈值时,这种性质就会变得饱和。

4.电子性质与传输:现有电阻率最低材料

“电子在石墨烯里遵守相对论量子力学,没有静质量”

与大多数常见物质不同,它的半导体间隙为零,在石墨烯中的大π键的共轭体系中,电子移动与金属和半导体完全不同,遵循狄拉克方程,因此可以费米速率高速移动。在实验室电子传输测量结果中,石墨烯的电子迁移率高于15,000 cm2V−1s−1,更不受温度影响。是现有物质中电阻率最低的材料。


单层石墨烯的能带示意图,图中紫色部分就半导体间隙,多少?零

被认为是制作量子计算机器件的材料

二.研究热度

据Web of Knowledge统计,截止2012年,石墨烯材料成为材料科学研究热门之首。欧洲专利局全球数据库统计,至2014年12初月石墨烯相关专利已达11,774件。

其中重视石墨烯相关研究的主力国家有美国、中国、日本、韩国、德国、英国、法国及西班牙等。欧盟于2013 年启动为期十年的石墨烯旗舰计划, 在确保石墨烯淘金热策源地的先发优势的同时, 致力于率先实现从石墨烯科学到石墨烯产业的飞跃. 韩国是石墨烯领域的黑马, 以三星公司为核心, 形成了由企业和大学组成的庞大的石墨烯协同创新网络, 并制定了详细的产业化路线图. 此外, 剑桥大学、曼切斯特大学、新加坡国立大学等许多科研机构纷纷成立了石墨烯研究中心。

根据谷歌学术论文搜索数量统计
(关键词graphene,除去专利和引用。2014年还未结束,根据出版和数字出版时间差,每天应该还有几十篇论文增加)

三.国内情况

1.论文:(中文期刊汪洋一片,还跑到英文期刊灌水啊)

中国在论文数量方面表现不俗,中国科学院整体产出的论文最多。但是,中国总体情况不容乐观,虽然论文数量大量发表,但是论文质量不高,

中国发表的论文有35.97%尚未被引用过。被引用的总体情况较差, 只占国际论文被引的4.84%左右。

中国排在第二名简直啪啪啪打脸嘛

2.专利

美国优先专利数位列首位,其次是中国、日本、韩国,中日韩三国数量不相上下。

但是,专利数量多被引用次数远低于其他三国,只与欧洲专利局相近,甚至不如专利数相差一个数量级的德国、加拿大、英国,平均被引次数为0,被引率位列9国之末。

3.商业:炒作之风盛行

2014年2 因《高科技与产业化》杂志一篇《慎防石墨成为下一个稀土产业》,后石墨烯概念股大涨。而文章内容并未涉及石墨烯,纯属资本市场炒作。7月份此杂志社对此事辟谣:《真假石墨烯 一场关于神奇材料的资本盛宴》

目前石墨烯大都在实验室里制备出来,根本无法量产。全世界还没有一家企业公司能够量产单层石墨烯,中国大部分上市企业都在占坑,能生产一斤就了不得了,结果中国上市公司都开始放卫星,谁不放谁就吃亏一样,江苏常州那家的刚开始号称几百吨产量,后来记者调查后改口。成吨输出根本不是石墨烯,而是:氧化石墨烯,石墨烯微片,石墨烯粉,属于碳材料的改良,跟纳米材料不在一个阶级。

这些公司能撑到石墨烯量产技术出来还好,不能就打水漂了呗。高风险,高收益,反正都是股民和地方政府的钱。


石墨烯有前景吗?有

石墨烯什么时候能产业化?未知


参考:

[1]陈 胜,黄毅,等.石墨烯新型二维碳纳米材料[M].北京:科学出版社,2013:2-221

[2]维基百科编者. 石墨烯[G/OL]. 维基百科, 2014(20141021)[2014-12-21].

[3]Su D S, Perathoner S, Centi G. Nanocarbons for the development of advanced catalysts[J].

Chemical reviews, 2013, 113(8): 5782-5816.

[3]王丽, 潘云涛. 石墨烯的研究前沿及中国发展态势分析[J]. 新型炭材料, 2011, 25(6): 401-408.

[4]马廷灿,万勇,冯瑞华.石墨烯专利技术国际研发态势分析[J].科学观察,2012,7(3):26-32.

[5]于小龙. 真假石墨烯 一场关于神奇材料的资本盛宴[J]. 中国经济和信息化,2014,13:32-39.

[6]刘忠范. 石墨烯: 一个持续十年的传奇故事[J]. 化学学报, 2014, 72(3): 267-268.

扩展阅读