石墨与石墨烯

石墨与石墨烯一、石墨1、石墨的用途石墨是碳元素的结晶矿物之一，具有润滑性、化学稳定性、耐高温、导电、特殊的导热性和可塑性、涂敷性等优良性能，其应用领域十分广泛。石墨在冶金工业中主要用作耐火材料；在铸造业中用作铸模和防锈涂料；在电气工业中用于生产碳素电极、电极碳棒、电池，制成的石墨乳可用作电视机显像管涂料，制成的碳素制品可用于发电机、电动机、通讯器材等诸多方面；在机械工业中用作飞机、轮船、火车等高速运转机械的润滑剂；在化学工业中用于制造各种抗腐蚀器皿和设备；在核工业中用作原子反应堆中的中子减速剂和防护材料等；在航天工业中可做火箭发动机尾喷管喉衬，火箭、导弹的隔热、耐热材料以及人造卫星上的无线电连接信号和导电结构材料。此外，石墨还是轻工业中玻璃和造纸的磨光剂和防锈剂，制造铅笔、墨汁、黑漆、油墨和人造金刚石的原料。2、石墨的分类结晶形态不同的石墨矿物，具有不同的工业价值和用途。工业上，根据结晶形态不同，将天然石墨分为三类。（1）致密结晶状石墨致密结晶状石墨又叫块状石墨。此类石墨结晶明显晶体肉眼可见。晶体排列杂乱无章，呈致密块状构造。这种：石墨的特点是品位很高，一般含碳量为60～65％，有时达80～98％，但其可塑性和滑腻性不如鳞片石墨好。（2）鳞片状石墨石墨晶体呈鳞片状，这是在高强度的压力下变质而成的，有大鳞片和细鳞片之分。此类石墨矿石的特点是品位不高，但它是自然界中可浮性最好的矿石之一，经过多磨多选可得高品位石墨精矿。这类石墨的可浮性、润滑性、可塑性均比其他类型石墨优越；因此它的工业价值最大。（3）隐晶质石墨隐晶质石墨又称非晶质石墨或土状石墨，是微晶石墨的集合体，此类石墨的特点是表面呈土状，缺乏光泽，润滑性也差。品位较高，一般的60～80％，但矿石的可选性差。3、石墨资源量和产量晶质石墨矿主要蕴藏在中国、乌克兰、斯里兰卡、马达加斯加、巴西等国，其中马达加斯加盛产大鳞片石墨，斯里兰卡盛产高品位的致密块状石墨；隐晶质石墨矿主要分布于印度、韩国、墨西哥和奥地利等国。多数国家只产一种石墨，矿床规模以中、小型居多，只有中国等四五个国家晶质和隐晶质石墨都有产出，大型矿床较多。据不完全统计，世界石墨储量约为15亿t，其中晶质石墨约5亿t。中国的石墨储量居世界第1位，全国已探明石墨储量2.25亿吨，其中晶质石墨1.77亿吨。据有关资料综合估计，中国晶质石墨矿物资源量可达三四亿吨，隐晶质石墨矿石资源量近亿吨，总资源量近四五亿吨。2013年全球天然石墨产量为119万吨，其中中国生产81万吨，占全球产量的68%。二、石墨烯石墨烯是一种由碳原子紧密堆积构成的二维晶体，是石墨中的单层薄片晶体。它是人类已知强度最高、韧性最好、重量最轻、透光率最高、导电性最佳的材料。2010年10月5日，英国曼彻斯特大学教授安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫因在石墨烯（graphene）研究方面的杰出成就而荣获2010年诺贝尔物理学奖。1、石墨烯的特性石墨烯是目前已知的最薄的一种材料，单层的石墨烯只有一个碳原子的厚度，这种厚度的石墨烯拥有了许多石墨所不具备的特性。（1）导电性极强：石墨烯中的电子没有质量，电子的运动速度超过了在其他金属单体或是半导体中的运动速度，能够达到光速的1/300，正因如此，石墨烯拥有超强的导电性。（2）超高强度：石墨是矿物质中最软的，其莫氏硬度只有1-2级，但被分离成一个碳原子厚度的石墨烯后，性能则发生突变，其硬度将比莫氏硬度10级的金刚石还高，却又拥有很好的韧性，且可以弯曲。（3）超大比表面积：由于石墨烯的厚度只有一个碳原子厚，即0.335纳米，所以石墨烯拥有超大的比表面积，理想的单层石墨烯的比表面积能够达到2630m2/g，而普通的活性炭的比表面积为1500m2/g，超大的比表面积使得石墨烯成为潜力巨大的储能材料。2、石墨烯的应用(1)代替硅生产电子产品硅让我们迈入了数字化时代,但研究人员仍然渴望找到一些新材料,让集成电路更小、更快、更便宜。石墨烯拥有比硅更高的载流子迁移率，是一种性能非常优异的半导体材料，电子在石墨烯中的运行速度能够达到光速的1/300，而且只会产生很少的热量。全球半导体晶硅的市场发展稳定，根据IEK的预测，石墨烯可替代晶硅应用在芯片领域，石墨烯如果替代十分之一的晶硅制成高端集成电路，市场容量至少在5000亿元以上。(2)石墨烯锂离子电池开启储能技术新纪元铅酸电池具有技术成熟、价格较低等优点，但是存在严重铅污染，将被更先进的产品替代。镍氢电池具有可大电流快速充放电、耐过充过放、低温性能好等优点，但能量密度较低使其不能用于纯电动车。锂离子电池能量密度大，循环寿命长，是目前在消费电子领域应用最广泛的电池，但是其功率密度还不够大，电池满充时间需要几个小时，在纯电动车领域的应用碰到了充电难题。超级电容器功率密度高而能量密度低，无法满足续航要求，不能单独用于电动车或其他储能设备。石墨烯锂离子电池解决了“鱼和熊掌不可兼得”的难题，同时满足了能量密度和功率密度要求，开启了储能技术新纪元。石墨烯锂离子电池可在几分钟内满充，将加快电动汽车产业化进程。目前的电动汽车，因为充电时间长达几个小时，在市场推广过程中遇到了充电站配套建设成本高和普通消费者对其接受度较低的问题。石墨烯锂离子电池能够大幅提升锂离子电池性能，未来将在负极材料领域有广阔的市场前景。根据IEK的预测，石墨烯作为负极材料应用在十分之一的锂离子电池中，其需求量在2500吨以上。更重要的是一分钟充电技术，锂离子可再石墨烯表面和电极之间快速大量穿梭运动的特性，开发出一种新型储能设备—石墨烯电池。它的功率密度比锂电池高100倍，能量储存密度比传统超级电容高30倍。未来有1%的锂离子电池由使用石墨烯负极材料的需求，那每年对于石墨烯的需求就在250吨以上。（3）石墨烯促进超级电容器发展超级电容器是靠极化电解液来存储电能的新型电化学装置。它是近十几年随着材料科学的突破而出现的新型功率型储能元件，其批量生产不过几年时间。超级电容器自面市以来，全球需求量快速扩大，已成为化学电源领域内新的产业亮点。超级电容器在电动汽车、混合燃料汽车、特殊载重汽车、电力、铁路、通信、国防、消费性电子产品等众多领域有着巨大的应用价值和市场潜力，被世界各国所广泛关注。由于石墨烯具有极高的理论比表面积，结构上属于独立存在的单层石墨晶体材料，故石墨烯片层的两边均可以负极电荷形成双电层。且石墨烯片层所特有的褶皱以及叠加效果，可以形成的纳米孔道和纳米空穴，有利于电解液的扩散，因此石墨烯基的超级电容器具有良好的功率特性。（4）替代ITO有极大的前景目前的显示器和触摸屏等器件中的导体材料，主要是使用的氧化铟锡ITO材料。但氧化铟锡的价格高、用量大、易碎、有毒性(与铅的毒性可比)，而石墨烯由于其特殊的分子结构而有非常高的导电性，而且石墨烯几乎完全透明；这两种性质使得石墨烯本身就是一种性能非常好的透明导体材料，适合用于制作显示器件。石墨烯的另一个特性是具有高韧性，能够拉伸20%而不断裂。使用石墨烯作为导体材料，能够制成可以折叠、伸缩的显示器件。而且石墨烯触摸屏合成对环境无害，需要资源少，并且随着生产工艺的不断改进，生产成本有望大大低于传统氧化铟锡触摸屏石墨烯。（5）石墨烯材料添加剂目前也有机构将石墨烯添加到水泥、油漆、涂料、塑料、陶瓷、光伏玻璃、电缆等材料中，可以改善性能和增加强度。3、石墨烯的研发和应用（1）石墨烯目前还处在研发阶段，各国对于这个新兴材料还处于一个专利布局期，尚还没有出现产业化的动向，规模化供应和需求均没有形成，预计短期还无法形成产业化。（2）制备石墨烯的技术工艺不成熟，目前主要的制备方法有微机械剥离法（诺贝尔奖获得者就是用胶带粘贴石墨晶片剥离石墨烯的）、外延生长法、氧化石墨还原法和气相沉积法；其中氧化石墨还原法由于制备成本相对较低，是目前主要制备方法。从上市公司发布的相关石墨烯的公告中并没有一家公司成功量产石墨烯,除了科研院校的实验使用外，企业也多数是处于小试或者中试阶段，并没有形成规模性产业发展。还没有达到一致性的品质，而且成品面积都非常小，不能适应工业化应用。（3）石墨烯还没有形成下游的应用和需求，目前最大的应用还是为各大科研院校的实验使用；下游需求尚还没有形成，大规模产业应用尚需很长的时间。国内从事石墨烯研究的机构主要为各大科研院校及一些石墨产品生产企业，只能小量生产石墨烯样品，并没有规模化生产的能力。在所有石墨烯概念上市公司中，有关石墨烯的数据多数是概念性的东西，并且研发实力相对薄弱。