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劉忠範&彭海琳Nature Mater.: 石墨烯工業的綜合挑戰

過去幾年石墨烯研究取得了重大進展,但其商業化和工業化仍面臨諸多挑戰。劉忠範和彭海琳團隊讨論了工業大規模合成石墨烯的相關問題,這是未來石墨烯行業發展的關鍵之一。

石墨烯因其引人入勝的特性而成為現代化學和物理學的新興材料。到2022年,全球石墨烯市場預計将超過1.5億英鎊。然而,石墨烯的真正商業化遠未取得一夜之間的成功。

隻有滿足特定應用要求并提供超越其他替代品令人信服的優勢的材料才能占領潛在市場。以碳纖維的發展曆史為例,在孵化期間,其工業化在很大程度上受到缺乏碳纖維産品的限制,碳纖維産品具有令人信服的性能和性能,以滿足應用的要求。那時,碳纖維的可能用途僅在少數幾個領域,如釣竿和高爾夫球杆。在接下來的幾年中,特别是近幾十年來,高級碳纖維合成的進步确保了擴展的商業應用,包括土木工程,軍事,汽車和航空航天工業。反思碳纖維的商業化途徑,在改進材料合成和實現真正競争性應用方面的不懈努力可能使石墨烯能夠找到更廣泛商業化的方法。

未來之路:

與矽工業一樣,石墨烯并非在每個領域都是無所不能的。成功的關鍵在于實現材料合成的進步,并揭示區分石墨烯突出優勢的實際殺手锏應用。目前的研究發展已經确定了幾種可能的殺手級應用候選者。石墨烯成功應用于基于石墨烯等離子體的寬帶圖像傳感器陣列和太赫茲到中紅外應用。最近,石墨烯已被用作可調諧的過濾器,此外,石墨烯膜可用作TEM樣品的理想支撐,同時提供更高的分辨率。關于石墨烯産品的價格,雖然我們應該重視降低生産成本的持續努力,但商品化石墨烯産品的價格應該由産品性能決定。石墨烯研究和工業界的主要工作應該緻力于提高石墨烯産品的質量和性能,而不是僅僅專注于提供價格合理的便宜貨。即使價格高出五倍,性能提升十倍的産品也會有很大的市場。盡管石墨烯已被廣泛認為是具有許多迷人特性的非常有前景的二維材料,但似乎很難預測石墨烯工業的确切未來。自學術研究初步轉變為實際應用以來,僅過了幾年,還有很大的發展空間,也就是說,石墨烯工業化和商業化是一個漫長的旅程,沒有成功的捷徑。随着工業規模材料合成和新興殺手應用的不斷改進,石墨烯行業應該能夠期待更光明的未來。

劉忠範&彭海琳Nature Mater.: 石墨烯工業的綜合挑戰
劉忠範&彭海琳Nature Mater.: 石墨烯工業的綜合挑戰

圖1. 石墨烯及其衍生物最常見的商業産品示意圖:石墨烯納米薄片,GO和連續石墨烯薄膜

劉忠範&彭海琳Nature Mater.: 石墨烯工業的綜合挑戰

圖2. 商業石墨烯産品的生産能力和質量

劉忠範&彭海琳Nature Mater.: 石墨烯工業的綜合挑戰

圖3. 尋找石墨烯的殺手锏應用

Li Lin, Hailin Peng, Zhongfan Liu, Synthesis challenges for graphene industry. Nature Materials, 2019.

DOI: 10.1038/s41563-019-0341-4

https://www.nature.com/articles/s41563-019-0341-4

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