科技论坛||张诚:关于石墨烯的现状与未来发展

来源:涂层与防护  ·  时间:2019-10-28 11:27:20  ·  6419 浏览

张诚:杭州烯创科技有限公司首席科学家,博导,浙江工业大学化学工程学院副院长;国家能源材料及应用国际科技合作基地执行主任;主要从事光电功能材料,纳米材料、能源材料、阻尼材料、吸波材料的制备及应用;主持国家国际合作专项,973前期专项、国家基金等课题20余项;发表SCI论文120篇;申请国际和中国发明专利110余项;获中国侨界(创新成果)贡献奖和浙江省科学技术一等奖等。

《涂层与防护》:石墨烯具有哪些出色的性能?有哪些表征手段?

张诚:石墨烯具有优异的光学、电学、力学、热学、磁学以及化学特性,在能量储存、电子器件、防腐涂料、生物材料、传感材料和催化剂载体等领域具有广泛的应用,被认为是一种革命性的材料。石墨烯的表征主要分为图像类和图谱类,图像类以光学显微镜、透射电镜(TEM)、扫描电子显微镜(SEM)和原子力显微分析(AFM)为主,而图谱类主要有拉曼光谱(Raman)、红外光谱(IR)、X射线光电子能谱(XPS)、紫外光谱(UV)和X射线衍射(XRD)等。其中,TEM、SEM、Raman、AFM和光学显微镜一般用来判断石墨烯的尺寸和层数。 

《涂层与防护》:石墨烯主要有哪些制备方法?还存在哪些局限?

张诚:现有的石墨烯制备方法有外延生长法、化学气相沉积法、氧化还原法、液相剥离法、机械球磨法等,其中最为普遍的是氧化还原法,其优点在于可以大规模制备氧化石墨烯和还原氧化石墨烯,且氧化石墨烯表面具有较多的官能团,可以采用化学接枝法进行改性,而其缺点也非常明显,制备过程中需要使用大量强酸和强氧化剂,破坏了石墨烯的原有结构,使得制备的石墨烯缺陷大,且造成环境严重污染。以目前市场上的生产技术而言,无污染规模化生产石墨烯的可能性很低,无法兼顾石墨烯品质与生产成本之间的平衡。

《涂层与防护》:杭州烯创科技在石墨烯制备技术方面处于怎样的水平?

张诚:杭州烯创科技有限公司自创立以来的发展目标就是无污染规模化生产高品质石墨烯。公司于2017年6月组建专业团队,启动技术攻坚项目,在原有物理法制备石墨烯的基础上,经过艰苦奋战,自主研发了石墨烯粉体V2.0制备技术。杭州烯创石墨烯粉体V2.0已经成为目前市场上品质最好的石墨烯粉体之一。截至2018年底,杭州烯创已完成物理法制备石墨烯中试生产线的搭建和测试,年产能超过6吨。后续还将持续加大改良石墨烯粉体制备技术的研发投入,2019年的研发目标是实现石墨烯的可控分层以及针对不同应用场景对石墨烯粉体进行改性。

《涂层与防护》:石墨烯的应用领域很广,但鉴于目前的技术因素,其应用的难点主要有哪些?

张诚:如果将石墨烯视为一种添加剂,即使在添加质量非常低的情况下,石墨烯的体积很可能还大于母体材料或被添加物。另外,石墨烯具有非常大的比表面积,因而容易堆叠团聚,不容易均匀分散。因此,如何防止石墨烯薄片不均匀的堆叠团聚,以获得高均匀性且层数少的石墨烯粉体,一直是产业界最需要解决的技术难题。

《涂层与防护》:一种先进材料的出现必将影响其相关的产业生态,同时,伴生而来的问题之一便是如何规范化。那么,石墨烯材料在标准化方面取得哪些进展?

张诚:目前,国内外石墨烯产业标准化的发展方向主要集中以下几个方面:一是石墨烯材料的基础标准,包括石墨烯材料的术语和定义、空白实验规范等;二是石墨烯材料的结构和性能标准,包括材料的层数、比表面积、电学性能、化学性能检测等检测与性能评定方法;三是石墨烯材料制备方法的标准化,包括外延生长法、化学气相沉淀 (CVD) 法和氧化石墨还原法等;四是石墨烯产品的相关标准,如石墨烯粉体材料、石墨烯电导膜、石墨烯导热膜、石墨烯散热膜、石墨烯电极材料、石墨烯载体材料等;此外,未来石墨烯在复合材料、透明电极、柔性器件、触摸屏、探测传感、信息技术、能源环保等领域应用的标准化工作,也将是我国材料产业的重点发展方向。

《涂层与防护》:就涂料行业而言,针对石墨烯在涂料中的作用机理研究基本还在传统思维的框架内,您怎样看待机理研究的重要性?

张诚:国外在针对海洋腐蚀环境的石墨烯防腐蚀涂料的作用机理、体系设计、产品制备及工程应用方面积累了较多的技术基础和开发经验。国内相关研究虽然起步较早,但对石墨烯防海洋环境腐蚀的性能、规律、机理仍不明确,亟需加快开展基础理论及应用技术研究工作,缩小与国外先进水平的差距。

目前石墨烯涂料的发展趋势主要有以下几方面:石墨烯在涂料中的分散技术的创新,进一步提高石墨烯在水性树脂体系中的最大添加量、均匀分散度以及耐热性;探究石墨烯与树脂的复合方法以及完善石墨烯涂料的性能评价体系;深入探究石墨烯在涂料中的防腐机理,为石墨烯在防腐涂料领域应用提供技术与理论支撑。

《涂层与防护》:我们知道,氟碳涂料是防腐领域的高性能涂料品种,石墨烯又是“新材料之王”。从配方优化设计的角度看,您觉得石墨烯在防腐性能提升方面能发挥多大的作用?

张诚:石墨烯具有极佳的阻水与阻气特性,将该特性应用于防腐蚀领域上,可以有效阻隔腐蚀因子穿透涂层的路径,与传统的防腐材料相比,除了防腐性能提高外,也因涂料比重小而涂层重量轻,且不具有任何毒性,提供高性价比优势。

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