石墨烯 深度研究报告.pdf

石墨烯——应用前景广阔，产业格局初步形成 一、石墨烯横空出世，新材料重新布局 1 石墨烯——碳家族新材料 2 应用前景广阔，市场空间巨大 二、产业发展、烯望无限 1 我国石墨烯产业发展现状：资源禀赋价值凸显 2 石墨烯产业链结构：格局初成 3 石墨烯产业化水平：中低端，小规模 4 未来发展，关注石墨烯制备和下游高端应用 5 重点公司推荐 石墨烯——应用前景广阔，产业格局初步形成 日前，经中国工程院院士薛群基、中国科学院院士钱逸泰等13 位材料专家组的专业评 审，宁波墨西“年产500 吨石墨烯生产线技术改造及扩建工程项目”顺利通过验收。现场， 宁波墨西宣布石墨烯产业化应用成本瓶颈获得打破，石墨烯降到了最低每公斤700 元；同时， 上海隆振股份与宁波墨西签订了3960 万石墨烯产品购销合同，石墨烯产业首个超千万元单 笔购销合同产生。 有着 “新一代材料之王”、“硅时代的颠覆者”等光环的石墨烯迈出了产 业化下游应用的重要一步。 一、石墨烯横空出世，新材料重新布局 1 石墨烯——碳族新材料 石墨烯是什么？石墨烯是一种必威体育精装版发现的碳族新材料，是从石墨材料中剥离出来、由碳 原子组成的只有一层原子厚度的二维晶体。这种晶体，看似结构简单，却填补了整个碳家族 最后一个维度空白。在石墨烯被分离之前，碳家族存在零维富勒烯，一维的碳晶体管，三维 的金刚石和石墨，唯独缺少一种二维同素异形体，各个维度之间缺乏有效的衔接，碳体系理 论研究和应用始终不充分不完整。在被分离之后，这一体系终于形成了一个密切的整体。 石墨烯发展历程。2010 年，两位英国物理学家安德烈·盖姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫 被授予诺贝尔物理学奖，以表彰他们二维空间材料石墨烯（graphene ）方面的开创性实验， 由此，石墨烯在业界一举成名。2004 年，两位科学家通过简单的方法制备出了具有划时代 意义的新材料石墨烯，石墨烯世界大门从此被打开。随后在世界范围兴起一股石墨烯研究热 潮。 早在20 世纪30 年代，科学家们就对类似石墨烯的结构进行过理论研究。基于当时科技 水平的限制，并没有能够制备出单层石墨烯，科学家预言这样的二维材料在常温之下难以稳 定存在。至今天，预言已被证明不正确，不仅如此，因为具有极其优良的特性，石墨烯还不 负众望，惊喜连连，在多个领域获得成功应用。 表1 石墨烯发展历程 人物 时间 成果 朗道和佩尔斯 1934 年 通过研究指出准二维晶体材料由于其自身的热力学不稳定，在常温 下会迅速分解 菲利普·华莱士 1947 年 研究了石墨烯的电子结构 林纳斯· 鲍林 1956 年 推导出相应的波函数方程 大卫·莫明和赫伯 1966 年 提出 Mermin-wagner 理论，指出表面起伏会破坏二维晶体的长程有 特·瓦格纳 序 谢米诺夫 1984 年 得出与波函数方程类似的狄拉克方程 穆拉斯 1987 年 首次使用“graphene ”这个名称来指定石墨烯 安德烈·盖姆和康斯坦 2004 年 从石墨中成功分离出石墨烯，方法为简单的胶带分离法，把石墨薄 丁·诺沃肖洛夫 片粘在胶带上，把有粘性的一面对折，再把胶带撕开，石墨片一分 为二，不断重复这个过程直至得到单层石墨烯 资料来源：中国中投证券研究总部 石墨烯为碳体系不同维度之间建立了桥梁。直观上来讲，石墨可以看成是多层石墨烯 片堆垛而成，碳纳米管可以看作是卷曲圆筒状的石墨烯，富勒烯可以看作通过多个六元环和 五元环按照适当顺序排列得到的。实际中，通过二维的石墨烯可以形成球状的富勒烯，一维 的碳纳米管和多层的三维石墨，这个过程也可以逆转过来。这种转化能力，丰富了碳材料的 制备方式，拓展了碳体系和石墨烯的功能和用途。 图1 石墨结构体系 富勒烯 碳纳米管