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可以用来制作生物传感器

文章来源:admin    时间:2019-04-03

  

  我国石墨烯的发展得到了国家和各级地方政府的大力扶持,自2012年起我国已经累计出台10多项石墨烯产业相关政策,并且支持力度仍在不断加大。

  2016年8月,国务院出台的《十三五国家科技创新规划》明确重点发展以石墨烯等为代表的先进碳材料。2017年1月,工信部、发改委、科技部、财政部联合发布了《新材料产业发展指南》,对石墨烯、超导材料等提出了任务要求,提出大力发展石墨烯产业。2017年4月,科技部发布《十三五材料领域科技创新》,明确指出了石墨烯碳材料技术发展领域:单层薄层石墨烯粉体、高品质大面积石墨烯薄膜工业制备技术,柔性电子器件大面积制备技术,石墨烯粉体高效分散、复核与应用技术,高催化活性炭及材料应用技术。

  深圳、广西、福建、四川、宁波、重庆、黑龙江、常州、无锡、宁波等地方政府均相继出台了针对石墨烯产业的专项政策、发展规划,并明确了未来的产业发展目标,广西省还颁布了全国首个石墨烯系列地方标准以引导产业发展。随着地方政府的积极介入,石墨烯产业已经初步形成政府、科研机构、研发和应用企业协同创新的“官产学研”合作对接机制,良性发展态势有助于石墨烯企业充分享受地方政策、税收优惠以及资金支持,未来产业化发展有望加速。

  石墨烯具有许多先进材料所不及的优良性能。目前世界上纳米材料的坚硬程度均不及石墨烯,其强度为钢材的200倍;石墨烯具有多孔结构,比表面积为2630m2/g,可与活性炭相媲美;石墨烯具有优异的导热性能,其导热率与碳纳米管不相上下;石墨烯还具有优良的导电性,常温下的载流子迁移率能够达到硅的100倍,是目前世界上电阻最小的材料;石墨烯对光线%,可以用来制造显示器的屏幕等设备。

  石墨烯的应用领域十分广泛。传感器领域,石墨烯在传感器领域已经得到广泛的应用。石墨烯高反馈速度、极短的响应时间等特点极大的提升了传感器的各项性能,并能制作出功能不同的传感器。储能和新型显示领域,石墨烯之所以能够作为透明导电的电极材料,是因为其拥有极好的透光性和导电性,其在柔性触摸屏、光板、太阳能电池板等方面得到了较多的应用。半导体材料领域,因为石墨烯有极好导电性,所以石墨烯有望代替硅。其极低的电阻率可以有效降低电路板中的电感现象,增强电子计算机的性能,减少耗电。生物医学领域,石墨烯以及其衍生物在生物医学领域起到了重要的作用。石墨烯具有易于固定蛋白质并保持其活性的特性,可以用来制作生物传感器。石墨烯的批量化制备难题如果能够得到有效解决,其在很多领域都将有更加广阔的应用及发展空间。

  经过近几年的蓬勃发展,石墨烯产业正从导入期步入到成长期阶段,我国石墨烯产业已经从基础材料研发向应用产品开发方向转变,目前国内从事石墨烯应用产品开发的企业众多,从上市公司到初创企业纷纷涉足石墨烯领域;石墨烯制备技术,如氧化还原法和CVD渐成主流,目前石墨烯产品价格具备工业化使用的条件;另外,石墨烯在复合材料等领域的应用已日益成熟,市场增长快速,如手机触摸屏、锂离子电池、超级电容器以及增强塑料、防腐涂料、石墨烯温控材料等复合材料领域;石墨烯属于非标产品,瞄准高端应用市场,需要满足下游客户定制化需求,与客户关系密切,这也增加了市场的壁垒;近几年来,围绕石墨烯标准制定的工作也在紧锣密鼓地进行着,标准的陆续出台亦将对石墨烯产业的快速健康成长发挥有力促进作用。

  从产业集聚度来看,国内目前的石墨烯公司大多分布在东部沿海一带,尤其是长三角、珠三角、京津冀鲁聚合区。其中,珠三角地区以深圳为核心,有着全国最好的石墨烯应用市场,在能源、新材料、电子信息、可穿戴设备、电动汽车等诸多领域产业集群发达。京津冀石墨烯产业联盟也在积极整合三地资源,加速推进低成本石墨烯及装备技术的产业化进程,形成京津冀战略性新兴产业高地。山东地区的石墨烯产业主要集中在青岛和济宁两地。经过几年的发展,山东省已初步形成从石墨烯原材料、设备到应用领域的产业链雏形。

  而江苏作为国内较早发展石墨烯的省份,已形成“1+1+4”的产业创新格局,即以江苏省石墨烯产业技术创新战略联盟为产学研合作载体,以江南石墨烯研究院、江苏省产业技术研究院石墨烯材料研究所等为产业创新基地,在常州、无锡、泰州、南京四市形成石墨烯产业集群纵横相连的产业创新布局。浙江省宁波市作为国内最早开展石墨烯研发和产业化的地区之一,已在石墨烯技术创新与产业发展方面具备了显著的先发优势、深厚基础和良好环境,在石墨烯微片和石墨烯薄膜的制备及应用领域均有多项突破,形成全链条发展模式。

  目前,石墨烯虽然已经走出了实验室,但是大规模商业化应用仍然面临着很多制约因素,主要包括技术、市场、成本三大制约瓶颈。

  首先是技术问题。包括制备、分散、应用和环保等关键技术和装备都尚未突破。虽然目前石墨烯制备技术已经有20多种,但规模化、低成本、高品质和大尺寸的宏量制备技术尚未取得实质性突破,难以满足工业化量产的需求。材料的分散技术,以及与下游工艺、工程化应用相结合的技术等都还制约着产业化进程。

  其次是市场问题。虽然目前各种应用产品层出不穷、百花齐放,但是缺乏真正的高品质、高附加值和体现石墨烯独特性能的杀手锏级产品,绝大多数是对传统材料进行改性或者努力替代已经成熟的材料,经过改性后的材料性能提升并不明显,或者石墨烯并不是非添加不可,个别甚至在添加之后出现不良后果,难以得到市场认可。一些研究机构或企业号称取得了突破进展,但也只不是做出了样品或实验室产品,根本没有形成商品。目前大多数石墨烯生产企业还主要是给科研机构或下游应用企业提供石墨烯试用品。如果下游应用市场没有激活,石墨烯就很难产业化。

  最后是成本问题。目前大多数企业尚处于小批量生产的探索阶段,还不能形成稳定的规模化生产能力,没有资金的回笼;且企业前期的研发投入资金量大、周期长,应用市场没有打开,所以不论是材料本身,还是应用产品的成本都很高,这都阻碍了石墨烯进一步走向市场。

  经过多年的自主研发,石墨烯的生产技术、工艺装备和产品质量均取得重大突破,但是石墨烯规模化生产技术成熟度依然较低,普遍存在不同批次石墨烯产品质量不稳定、性质差异性大的问题。

  石墨烯粉体方面,目前商业化的石墨烯产品普遍存在尺寸和层数不均匀、单层石墨烯含量低、比表面积远低于理论值、没有分级、成本高等问题,无法真正体现石墨烯的各种优异性能;结构完整的石墨烯表面不含有任何基团,与其他介质的相互作用较弱,很难分散于溶剂中,更难与其他有机或无机材料均匀地复合。

  石墨烯薄膜方面,现有产品存在无法避免的因生长过程导致的结构缺陷和因转移过程导致的表面污染,普遍电阻较高,无法应用在本应适合匹配其优异电学性能的领域。

  在电子信息、生物医药、节能环保等战略高技术领域方面,基本上已经被美、欧、韩、日所垄断。特别是我国石墨烯企业基本上以小微企业和初创企业为主,资金投入匮乏、研发实力薄弱、市场开拓能力不强,在破解石墨烯技术瓶颈、推进石墨烯材料应用、扩大石墨烯产业规模方面力度不足。如果没有良好的技术创新研发和成果转移扩散机制,必将导致长期发展乏力。

  石墨烯从发现至今仅有10多年时间,是一种比较“年轻”的材料。从应用现状来看,石墨烯主要是实现了初步应用,大多数产品属于利用石墨烯与原有材料相结合提升产品性能,技术门槛相对来说比较低,同质化情况比较严重。石墨烯下游应用产品虽然已经初步产业化,但是真正意义上的“杀手级”应用仍然没有诞生。我国石墨烯产业的专利虽然众多,但多数为本土专利申请,国外专利技术布局相对薄弱,极少数能被国外专利引用,且超过四分之三的专利来自于学术机构,企业在石墨烯研发方面的参与度还有待进一步提高,高价值高质量的核心专利不多,技术与市场之间的供需还不匹配,技术研发、转移扩散和首次商业化链条还有待打通。

  石墨烯标准体系方面,目前石墨烯及其相关产业日益成为资本市场中炙手可热的概念。但是由于标准体系建立时间短,立项的标准较少,石墨烯材料分类、术语、检测方法等方面的国家标准、以及石墨烯产品的团体标准或行业标准都比较缺乏。致使市场上石墨烯相关产品鱼目混珠,产品质量参差不齐的现象非常严重。很多企业实际根本不具备石墨烯规模化的生产能力,却借助石墨烯概念过度炒作,严重影响了石墨烯产业的良性发展。因此,我国亟待建立石墨烯标准体系,包括石墨烯资源、石墨烯应用、环境保护、加工设备等不同方面的标准体系覆盖,以早日规范和指导石墨烯行业健康持续发展。

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