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        1. 環保信息

          被譽為“新材料之王”,石墨烯會改變能源儲存和建筑行業嗎?

          2022-11-02 16:40:09  信息編號:K225849  瀏覽次數:110

          石墨烯的結構非常穩定,穩定的結構賦予了石墨烯“材料之王”的稱號。石墨烯被認為是一種未來革命性的材料,未來中國石墨烯行業市場規模將穩步上升。



          石墨烯是一種由碳原子構成的單原子層片狀結構的新材料,有極好的透光性和導熱性,是已知的最薄、最堅硬、電阻率最小的材料,常見應用有顯示器、接觸屏、傳感器、電池、發光板等。中國在石墨烯的產業化發展中處于世界領先地位,石墨烯產業已被列為我國戰略新興產業和“中國制造2025”重點發展領域之一。我國石墨烯產業市場規模由2017年70億元增至2020年230億元,年均復合增長率為48.6%,預計2022年市場規模將達312億元。



          1、神奇的石墨烯



          鉛筆的主要成分就是石墨,之所以被稱為鉛筆是因為石墨又被稱為黑鉛,那么石墨烯與石墨有什么區別呢?答案是沒有區別,他們都是主要由碳原子組成的物質,碳元素也是地球上組成各種物質最常見的元素,這么說來石墨烯并沒有什么神奇之處,那么它的強度能夠是鋼鐵的200倍,重量卻能比紙還輕薄,是紙的1000分之一,這樣神奇的特性又是怎么做到的的?



          其實石墨烯的神奇力量并不來源于元素本身,之所以會有這樣的超能力是其結構決定的。人類在研究石墨的時候發現,其組成是以一層一層的單層原子結構堆疊而成的。所以石墨本身的結構并不牢固,日常在使用鉛筆時,用力過猛就會斷鉛就是這個原因。



          不過如果單看其中一層原子結構,就會發現其又非常穩固,每一層的碳原子都呈現蜂窩狀的六邊形排布方式,每一個碳原子都與周邊三個碳原子鏈接在一起,所以形成了非常穩固的結構,不僅強度高而且可延展性非常好。



          這些組成石墨的單層碳原子結構就是石墨烯,可是從石墨中分離出石墨烯卻并不是一件容易的事情。每一層的石墨烯之間都是由一種電性的吸引力結合在一起,層與層之間的距離在340皮米,1皮米相當于10億分之一毫米,1毫米厚度的石墨中就有300多萬層的石墨烯,想要分離出來非常困難。




          但是最早分離出石墨烯的科學家,用了一個看似簡單卻又非常巧妙的方法,用膠帶粘出的單層石墨烯,還因此獲得了諾貝爾獎。



          神奇的石墨烯竟然是用膠帶粘出來的,那制備石墨烯還有哪些方法,它究竟還有哪些神奇的特性呢?



          2、石墨烯的制備



          由于石墨烯的高強度且質量輕,以及高延展性的特征,使科學家對其產生了很高的興趣,畢竟人類從石器時代開始就不斷尋求新的材料,從青銅到鐵器再到鈦合金等材料,每一次的材料升級也伴隨著人類文明的進步,不過材料的獲取方式也更加的困難。



          而石墨烯的最早獲取方式,是在2004由兩位英國科學家通過一種特殊的膠帶粘連出來的,他們將一塊石墨片兩面都粘有這種膠帶,然后一分為二,之后不斷重復以上操作。直至獲得最薄的一層石墨原子結構,也就是石墨烯。他們也因此獲得了2010年的諾貝爾物理學獎,但是這樣的方法只適合實驗室研究,于是后來又出現了機械剝離法和氧化還原法以及氣相沉積法等多種方法,一時間石墨烯成為了紅極一時的新材料。



          在了解了石墨的結構和制備方法之后,就非常好理解石墨烯比紙還輕1000倍的原因了,因為它就是一層單原子結構,紙張再薄也不可能比原子還薄。而石墨烯的硬度比鋼鐵強200倍也是指在單位重量一樣的情況下,就目前來看對石墨烯在強度方面的應用很少。



          石墨烯被主要利用的特性為導電性,透光性和延展性。導電性非常好理解,石墨本身就具有導電性,也被廣泛地運用在電池和電極當中,而石墨烯的導電性更好,這和其碳原子與電子的鍵合方式有關,每個碳原子外圍有4個電子,其中3個與其他碳原子共享,另外1個則可以自由移動,所以在導電時可以更快。石墨烯也是目前常溫條件下導電速度最快的材料,超導材料雖然導電性能更好,但是需要在超低溫的條件下,在應用上沒有石墨烯方便可行。



          別看石墨是黑乎乎的一塊,制成的石墨烯粉末也大多呈現黑色,但石墨烯的透光性卻能達到98%,加上石墨烯的高延展性,在原材料基礎上再拉伸25%的程度,以及彎曲都不會損壞石墨烯的結構。




          3、石墨烯的應用領域



          石墨烯最大的優勢則在于建筑領域,一家位于澳大利亞的公司則把目光投向了水泥和混凝土行業,要知道水泥的碳排放量約占全球二氧化碳排放總量的8%-10%,這也是第26屆聯合國氣候變化大會要求水泥行業采取脫碳行動的主要原因。并要求到2030年,水泥行業的碳排放量要減少25%,那么在這其中石墨烯起到了什么作用呢?水泥的生產離不開旋轉的水泥罐,生料被燃燒并煅燒成一種被稱為熟料的物質,它們被用作水泥的粘合劑,在這個過程中需要消耗大量電力,理論上說每制造1噸熟料,就會產生800KG-900KG二氧化碳。



          因此,石墨烯最先要解決的就是提高水泥的研磨效率,這主要是基于電化學剝離產生石墨烯在通電時,它們會被嵌入到碳層中,在那里產生氣體使得單個石墨烯片膨脹并剝落,從而免去了使用膠帶的局限,這個方法可以生成5-20微米大小的石墨烯薄片,只需要混凝土總量的0.01%,就可以有效提高抗拉和抗壓強度,降低了重量和開裂的可能,它不僅能提高34%的抗壓強度27%的抗拉強度,還可以有效延長使用壽命,并減少20%的熟料使用。這套方案,能有效減少18%-20%的二氧化碳排放,在汽車制造航天航空等領域,這套方案同樣適用。



          在電池領域,石墨烯同樣大有作為,通過在硅陽極部件中加入石墨烯,可以讓它的能量密度相比于普通石墨陽極高出10倍達到400mAh/g,硅陽極主要有3個問題,第一容易降解,第二低固有電導率,第三充電速度較慢。但在加入了石墨烯后,這些問題都可以被緩解。除此之外,石墨烯還可以用于能源儲存,以減少鋰電池中枝晶問題的出現,從而有效降低火災風險,結合新的正極材料的運用,例如NMC811來打開電池能量密度的大門,新技術電池的能量密度有望達到350WH/KG,而造價可能會低于$100/KWH。



          那么,有沒有更有效的石墨烯提取方案呢?研究人員發現可以用一氧化碳作為碳源,來生產高質量的石墨烯,這種方法不僅成本低而且還有著很高的效率。在全球范圍內,石墨烯有著很廣泛的前景。2021年,石墨烯的市場份額為3.88億美元,預計到2028年這一數值將高達40億美元,增長率為39.8%。影響石墨烯全面推廣的最大阻礙依舊是成本,盡管它的價格已經從2010年的$10000/g下降到2022年的$100/g,但它仍舊是一種昂貴的材料。



          那么,你認為石墨烯會改變能源儲存和建筑行業嗎?它真的會得到普及嗎?


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