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石墨烯材料技术发展趋势及农业应用前景


  一、石墨烯材料的诞生与特性
  2004年,英国曼彻斯特大学的安德烈·盖姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫在实验室用机械剥离的方法首次成功制备出石墨烯,打破了“热力学定律不允许任何二维晶体在有限温度下存在”这一科学界原有的认知,从此掀起了研究石墨烯的狂潮,两人因此共同获得2010年诺贝尔物理学奖。
  石墨烯(Graphene)是一种由碳原子以特殊杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的二维碳纳米材料,具有优异的光学、电学、力学特性,是目前人类已知强度最高、重量最轻、韧性最强、透光率最好、导电导热性最佳的材料,在材料学、微纳加工、能源、生物医学和药物传递等方面具有重要的应用前景,被誉为21世纪最具颠覆性的“新材料之王”。
  二、国内外发展现状及趋势
  石墨烯以其独特的二维蜂窝状碳纳米晶体结构和优异的光电热力等性能成为新材料领域、能源领域、电子领域、医药领域及环境保护领域的研究热点。
  (一)新材料领域
  石墨烯具有比表面积大、导热导电性强、化学性能稳定、力学性能优异等优势,已逐步成为新一代涂料、橡胶及塑料等产品制作的重要“性能优化剂”,全方位提高了传统产品的功能化特性。英国曼彻斯特大学石墨烯研究所研究人员发现,可以在机翼上涂上石墨烯涂层,防止飞机在高空飞行时由于温度过低水汽在飞机上凝结成冰,提升飞行期间的安全系数。巴斯夫公司先后与美国的石墨烯企业和西班牙的纳米材料公司一起开发应用于电子行业的石墨烯导电涂料。2013年,Thermene公司推出了以石墨烯氧化物为材料的石墨烯导热涂层,可用于CPU散热,且价格低廉。2014年,西班牙Graphenano公司宣布推出了名为Graphenstone的石墨烯涂料,具有超强特性,可以保护建筑物免受环境伤害。
  我国的石墨烯在涂料上研究应用走在世界前列。2015年,中国石墨烯新型防腐涂料在江苏成功研发,耐腐蚀时长达到3000小时,比美国重防腐涂料多2000小时,已被应用于海上风电塔筒的防腐;2017年,中国科学院研发出拥有自主知识产权的新型石墨烯改性重防腐涂料,盐雾寿命超过6000小时,处于国际领先水平,该成果已成功应用于国家电网、石油化工、海洋工程与装备等领域。北京石墨烯研究院已将相关技术应用在了超级石墨烯玻璃、石墨烯玻璃加热片、柔性锂离子电池、透明柔性石墨烯天线等一系列产品当中。
  (二)能源领域
  石墨烯凭着质量小、稳定性强、比表面积大等特点,使其成为新能源电池的研究热点。美国麻省理工学院已成功研制出表面附有石墨烯纳米涂层的柔性光伏电池板,可极大降低制造透明可变形太阳能电池的成本,这种电池有可能在夜视镜、相机等小型数码设备中应用。另外,石墨烯超级电池的成功研发,也解决了新能源汽车电池的容量不足以及充电时间长的问题,极大加速了新能源电池产业的发展。石墨烯对氢气具有极强的吸附能力,若未来引入到氢能源汽车及飞机等交通工具领域,将带来良好的经济、环境、社会效益。此外,基于石墨烯自身表面的特点及改性功能,使其应用于储氢材料的超级电容器方面成为可能。
  (三)电子领域
  石墨烯是一种透明、良好的导体材料,适用于制造光板、触控屏幕、太阳能电池、传感器、晶体管等产品的生产以及应用于超轻型飞机材料和航天军工领域。目前,美国航空航天局(NASA)已开发出应用于航天领域的石墨烯材质的微型传感器,能很好地检测地球高空大气层的微量元素以及航天器上的结构性缺陷等。IBM公司在2010年就已宣布将石墨烯晶体管的工作频率提高到了100GHz,超过同等尺度的硅晶体管。韩国三星公司和成均馆大学的研究人员在一个63厘米宽的柔性透明玻璃纤维聚酯板上,制造出了一块电视机大小的纯石墨烯并用该石墨烯块制造出了一块柔性触摸屏。欧美等国家相继研发出石墨烯高频电子器件、集成电路、光电探测器、光调制器等电子产品。
  (四)生物医学领域
  氧化石墨烯比表面积很大,厚度很小,表面含有各种官能团使其成为制作生物传感器的优良材料。同时,氧化石墨烯由于其特定的光学性质,也广泛应用于临床医学影像等领域。氧化石墨烯的亲水性、柔韧性、生物相容性、导电性使其可负载大量非水溶性药物,这对实现体内药物传递具有显著意义。氧化石墨烯对于大肠杆菌的滋生,龋病、牙周炎及种植体周围炎主要致病菌如链球菌、牙龈卟啉单胞菌、具核梭杆菌等具有明显的抑制作用,且对人体细胞无害。石墨烯材料具有优异的促成骨作用,可以促进成骨细胞粘附、增殖以及诱导人间充质干细胞分化为成骨细胞。
  (五)环境保护领域
  石墨烯以其层絮状结构、优异特性及其功能化改性等特征可作为新型吸附剂材料,在环境水体和土壤中重金属污染的修复、大气污染治理等方面具有较大的应用潜力。研究表明,石墨烯对土壤中的铅和镉等重金属,污水中的有机染料、抗生素以及油等有机物以及抗生素,大气中的粉尘和有害气体等具有良好的吸附作用。利用石墨烯的抑菌性研制的石墨烯口罩,可以保护呼吸系统。此外,石墨烯作为过滤器优于其他海水淡化技术,水环境中的氧化石墨烯薄膜遇水后,形成宽约0.9nm的通道,能有效提升对海水中盐离子的阻隔,以此来达到海水淡化的目的。
  三、农业应用场景
  随着石墨烯基础研究的不断突破,产业化应用也在不断拓展,并逐渐延伸到农业领域。
  (一)石墨烯电热膜在设施农业方面已开始应用
  石墨烯采暖作为一种全新采暖方式,已开始应用于蔬菜大棚、花卉栽培、农林育苗、土壤保温、雏鸡孵化、特种水产养殖等产业。一是温室大棚上的应用。温室大棚最大的困扰是大多温室热源采用热风炉、采暖炉或电热线等,不仅能耗高,污染大,而且稳定性差、成本高。石墨烯电热膜系统电热转化率高,一般节约能源30%~50%,且不会造成污染。石墨烯电热膜覆土后,远红外直接增温可显著促进幼苗发育,有效增强光合作用。二是设施养殖上的应用。在养殖领域,特别是对畜禽良繁场、水产种苗场,以及特种水产、工厂化畜禽生产企业,用远红外石墨烯电热膜可以实现快速升温、智能调温、节能无噪音,且维护方便,操作简单,运行安全可靠。远红外线对畜禽、水产健康繁育具有促进作用。台湾地区在海虾养殖上已广泛使用远红外线石墨烯电热膜。
  (二)针对石墨烯纳米材料在土壤肥料方面的应用开展了基础研究
  国内外研究表明,土壤中适当添加石墨烯纳米材料,能够促进作物对营养元素、水分的吸收,提高作物根系活力和根际土壤酶活性,有利于种子萌发及幼苗生长,从而提高作物产量及品质。肥料中添加石墨烯纳米材料,能增加土壤的黏粒含量,改善土壤质地。石墨烯具有极大比表面积,能提高土壤对养分元素的吸持力,从而有效控制养分地上挥发、地表径流和深层渗漏的损失。石墨烯同时能改善土壤的电化学性质,提高肥料利用率,减少农业面源污染,最终起到节肥增效作用。
  (三)研究了氧化石墨烯在植物保护方面的应用前景
  氧化石墨烯是石墨烯的氧化物,由石墨经强酸氧化制备而成。大量研究表明,氧化石墨烯可用于植物病原菌的防治,对水稻白叶枯病菌、茄科青枯病菌、细菌性叶斑病菌具有显著的杀菌活性,同时可以显著抑制禾谷镰刀菌和尖胞镰刀菌的孢子萌发和菌丝的生物量。氧化石墨烯的光热性可防治日出性害虫,光催化性能有助于农药残留的降解。利用多巴胺修饰的氧化石墨烯负载羟甲基咪唑制得复合的纳米农药可提高羟甲基咪唑在植物上的吸附性和利用率,显著提高菜青虫和亚洲玉米螟等害虫的致死率。
  (四)石墨烯材料技术在农业污染物治理方面具有应用潜力
  石墨烯及其功能化材料表现出优异的吸附/萃取性能,对农业污染物吸附和净化有卓越的作用,特别是对污染水体中的农药和重金属吸附力强,在替代传统的吸附剂方面展现良好的应用前景。在农残及毒素分析上,研究表明,将石墨烯系列材料作为分散固相萃取剂,可有效解决黄曲霉毒素、农药及有机污染物残留等分析样品前处理过程中浓度低、基质背景干扰严重等问题,提高检测精度。
  (五)探索了石墨烯材料技术在动物疫病检测中的应用
  石墨烯以其优异的光学、电学特性可作为传感器用于畜禽疫病检测。目前,已利用石墨烯构建的电化学发光免疫传感器实现了猪伪狂犬病毒抗体、猪蓝耳病毒、猪流行性腹泻病毒、口蹄疫病毒和禽流感病毒、禽白血病病毒、鸡白痢鸡伤寒沙门氏菌的超灵敏检测;利用超小氧化石墨烯合成的超顺磁性氧化铁纳米粒子用于犬细小病毒的磁共振成像检测。石墨烯还可用于畜禽养殖抗生素的检测和催化降解,已利用石墨烯作为吸附材料用于恩诺沙星、磺胺类等抗生素的检测,以石墨烯作为添加剂制成的复合催化剂对诺氟沙星、环丙沙星等抗生素有很好的降解作用。
  四、发展前景
  (一)石墨烯技术被发达国家列为发展重点
  石墨烯作为21世纪最具颠覆性的二维新材料,它的发现及其应用正在掀起一场席卷全球的产业革命。美国、欧盟、日本和中国近80多个国家和组织将石墨烯的研究列为国家未来核心竞争技术,并将石墨烯的发展提到战略层面。欧盟委员在2013年1月将石墨烯列入“未来新兴技术旗舰项目”,设立专项研发计划,未来10年内拨出10亿欧元经费资助。英国政府也投资建立国家石墨烯研究所(NGI),力图使这种材料在未来几十年里可以从实验室进入生产线和市场。日本学术振兴机构(JST)从2007年起开始对石墨烯硅材料、器件的技术进行资助。韩国原知识经济部向石墨烯领域提供2.5亿美元的资助用于技术研发和应用研究。全球包括IBM、杜邦、洛克希德·马丁、波音、三星、陶氏化学、索尼等近300家公司涉足石墨烯的相关研究及开发。
  (二)我国高度重视石墨烯研究与技术开发
  石墨烯的兴起引起了我国政府的高度重视,2012年工业和信息化部发布的《新材料产业“十二五”发展规划》中的前沿新材料就包含石墨烯。此外,国家科技重大专项、国家973计划围绕“石墨烯宏量可控制备”、“石墨烯基电路制造设备、工艺和材料创新”等方向部署了一批重大项目,取得了一批创新成果,国际影响力逐步提升。2013年7月,在中国产学研合作促进会的支持下,多家机构发起中国石墨烯产业技术创新战略联盟,联盟成立以来,先后组建了技术、标准、专利、资源、产业促进、国际合作等专门委员会来整合协调、提高行业整体创新竞争力。2018年3月31日,中国首条全自动量产石墨烯有机太阳能光电子器件生产线在山东菏泽启动。
  五、农业应用面临的挑战
  当前,我国现代农业发展面临重大转型,石墨烯作为“新材料之王”,在推动产业的转型升级上必将发挥强力推动作用。但当前石墨烯在农业上的研究应用还不够深入,产业链还未完全形成,面临一系列的挑战。
  一是关键技术有待突破。经过多年的自主研发,石墨烯的规模化生产技术、工艺装备和产品质量均取得重大突破,但是石墨烯规模化生产技术成熟度依然较低,普遍存在不同批次石墨烯产品质量不稳定、性质差异性大的问题。在农业领域已广泛运用的石墨烯薄膜方面,现有产品存在无法避免的因生长过程导致的结构缺陷和因转移过程导致的表面污染,普遍电阻较高,其优异电学性能未完全体现。从前瞻技术来看,我国的石墨烯技术专利多数为本土专利申请,国外专利技术布局相对薄弱,极少数能被国外专利引用,专利质量总体不高,缺乏基础核心专利。
  二是应用领域有待拓展。目前石墨烯在农业上刚开始实现初步应用,大多数属于利用石墨烯与原有材料相结合提升产品性能,技术门槛相对来说比较低,同质化情况比较严重。很大一部分还处于实验室研究阶段,真正意义上的“杀手级”应用仍未诞生,应用领域还有很大的拓展空间。
  三是标准体系有待建设。目前石墨烯及其相关产业日益成为资本市场中炙手可热的追逐目标,但是缺少石墨烯材料分类、术语、检测方法等国家标准,以及石墨烯产品的团体标准或行业标准,致使市场上石墨烯相关产品鱼目混珠,产品质量参差不齐的现象非常严重,影响了石墨烯产业在农业上的良性发展。
  主要参考文献:
  [1]孙慧君.石墨烯在涂料领域中的应用研究概况.无机盐工业,2019,51(2):15-18
  [2]文心.改变生活创造未来——新材料亮相2019北京科技活动周.新材料产业,2019,(6):63-65
  [3]逯娟.石墨烯的制备方法及其应用领域的研究进展.能源与环保,2019,42(5):78-81
  [4]叶琳,苏睿婷.石墨烯在能源存储装置中的应用和发展.工业技术创新,2020,7(1):97-101
  [5]高岩,苏东艳.石墨烯电子应用的发展与挑战.江苏科技信息,2017,(12):52-55
  [6]王婷,葛少华.氧化石墨烯在生物医学领域方面应用的研究进展.国际口腔医学杂志,2017,44(5):591-595
  [7]程小豹,刘峥,杨永强,赵卫芳,王勤生.基于石墨烯在环保领域应用的探讨.环境与发展,2020,(5):233-234
  [8]吴沛良.以石墨烯为新能源推动“温室大棚革命”.江苏农村经济,2020,(420):6-7
  [9]王秀平.氧化石墨烯对亚洲玉米螟生长发育的影响及其对杀虫剂增效性能研究.3d之家博士论文,2019
  [10]喻理.基于石墨烯材料的黄曲霉毒素液相色谱检测方法研究.3d之家博士论文,2014
  [11]乔俊,赵建国,解谦,邢宝岩,杜雅琴,屈文山,王海青.纳米炭材料对作物生长影响的研究进展.农业工程学报,2017,33(2):162-170
  [12]邵康.电化学发光传感器构建新策略及其在动物疾病检测中的应用.3d之家博士论文,2017
  [13]李兆乾.基于石墨烯功能材料的吸附/萃取技术在抗生素残留分析中的应用研究.浙江师范大学硕士论文,2017
  [14]石墨烯:应用前景极其广泛的新兴材料——石墨烯能否引发一场新的产业革命.物理通报,2016,(7):2-3
  [15] 牛禄青. 我国石墨烯产业化的历史机遇. 新经济导刊,2014,10:77-83
  [16]暴宁钟,白凤娟,何大方. 石墨烯新材料发展现状与研发应用挑战. 中国工业和信息化,2018,8:47-54






























 

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