我國二維材料產業化發展現狀研究

張晴晴

摘 要：因獨特的結構及性質，二維材料的興起開啟了新型材料研究領域的新篇章。本文首先對二維材料的發展、結構性質和分類情況進行了簡單總結;其次對典型的二維材料發展現狀、基本性質及應用領域進行了重點的分析;最后對二維材料產業化發展的現狀進行概述，并就現在面臨的技術、成本和市場問題提出相應的產業化發展建議，以期為二維材料的發展、產業化進程的加快提供有利的參考。

關鍵詞：二維材料;產業化;問題;建議

0 引言

二維材料的概念始于2004年單原子層石墨烯通過膠帶被成功從石墨中分離出來，并由此開辟了新型材料研究領域的篇章。二維材料是指電子只可以在兩個維度的非納米尺度（1-100nm）上自由運動的材料[1]，擁有獨特的物理、化學、電學、光學特性，日漸成為國內外學者的研究熱點。

1 二維材料概述

二維材料層內由強化學鍵連接，層與層之間以弱范德華力相耦合，可被剝離成為單層或者多層原子層厚的薄片材料。相比于傳統材料，二維材料獨特性質包括：（1）超高的機械強度。二維材料抗斷裂性強，韌性好，易延展但不易斷裂。（2）較好的電學性質。迄今為止已發現幾十種電學相關性質各異的二維材料，涵蓋了金屬、半導體、絕緣體等不同的屬性，可滿足不同的應用。（3）較高的可加工性。二維材料可通過微加工的方法制備出各種復雜結構的材料，以達到可預期的特性。（4）結構的各向異性。由于層內強化學鍵的連接，二維材料表面結構呈現各向異性，如光譜吸收、導電率各向異性等。

隨著研究的深入，各類二維材料不斷被分離出來。按照結構性質的不同，主要被分為五大類：一是單原子層單質二維材料，如石墨烯;二是過渡金屬硫屬化合物，如二硫化鉬（MoS2）;三是過渡金屬碳化物和氮化物，如二碳化三鈦（Ti3C2）等;四是有機二維材料，如金屬有機框架二維材料（MOFs）等;五是具有一些其他結構的二維材料，如石墨烯合成的氧化石墨烯、氧化物二維材料等。

2 典型二維材料發展現狀

2.1 石墨烯

石墨烯是目前唯一天然存在的二維材料，是已知最薄的材料。石墨烯碳原子在sp2軌道上雜化形成σ鍵，保證了平面結構的穩定性。多余的電子形成大π鍵，使電子可自由移動，因此石墨烯具有超高的導電性[2]。基于穩定結構和超高導電性，石墨烯或成為下一代晶體管先進研究的關鍵性材料。石墨烯還可實現零阻力傳導電子，故可用作研究非常規超導現象，有望推動超導研究進程。在力學特性上，石墨烯強度極高，在新型復合材料的制備、柔性電子器件研制上有天然優勢。在光學特性上，單層石墨烯透光率高達97.7%，且可在較寬的光譜范圍實現快速響應，在光電子器件研究領域有著巨大的發展潛力。此外，石墨烯感應環境改變時靈敏性極高，有望開啟新型傳感器研制的新時代。在化學特性上，石墨烯表面積大，經過功能化的特殊處理后可得到某些可期的特性，在燃料電池、超級電容研發中備受青睞。在熱學特性上，石墨烯熱穩定性強、導熱性好，能滿足系統高集成度、高功率的散熱需求，可推動新型散熱薄膜研究的發展。

2.2 二硫化鉬

二硫化鉬（MoS2）為過渡金屬硫化物，是由兩個硫原子和一個鉬原子組成的片層狀堆積結構，層間通過范德華力結合在一起，可分離為單層或少層，硫和鉬原子間有較強的共價鍵，結構穩定。

在光電特性上，MoS2帶隙結構可控，隨著原子層數的不同，其帶隙類型、電子躍遷方式以及熒光發射和吸收均不同，光電特性也不同，因此在低功耗開關、光電器件上應用廣泛。在化學特性上，MoS2比表面積大，特有的電化學性質有利于氣體的吸收，且在吸收不同氣體分子時導電性能不同，在傳感器研究方面有很大的應用空間。在機械性能上，MoS2楊氏模量和機械強度均很高，在一定程度上為最佳的柔性電子材料。在結構特性上，MoS2為類石墨烯層狀結構材料，可修飾性強、物相容性高，近年在生物傳感分析和醫學檢驗檢測領域得到了相對廣泛的應用，如：MoS2作為DNA傳感檢測材料取得了很好的實用性效果[3]。

2.3 磷烯

磷烯是一種P型類石墨烯的二維材料。磷烯層內原子由sp3雜化并通過共價鍵連接，層間由弱范德華力結合，難溶于有機溶劑，不易發生化學反應。

在電學性質上，磷烯有超高的載流子遷移率，同時具有直接帶隙性質且可調范圍比較大并隨外部應力的改變而變化，可以利用磷烯層數以及外部應力大小的不同來調節其帶隙以滿足實際應用，特有的電學性質使磷烯在微波通信和場效應晶體管等電子學器件方面的應用較為廣泛。在光學性質上，磷烯與光耦合后可直接從非導體變為導電體，且光響應波段范圍較大，因此磷烯在光學通信、熱成像、醫藥應用等多種領域都有很大的應用潛力。實驗發現，磷烯在1～5μm的波長范圍內光傳導效率比較高，這說明磷烯在近紅外和中紅外的光電器件領域有應用前景。在化學性質上，磷烯極易氧化，空氣環境中無法直接應用，但可通過摻雜等特殊工藝處理后得到正常環境下可穩定使用且性能有所提升的材料，如磷烯和碳納米管的復合材料具有更好的力學和電學性質，并在二次電池負極材料和超級電容中得到廣泛的應用。

2.4 六方氮化硼

六方氮化硼（h-BN）是由硼原子和氮原子sp2雜化成的六元環狀類石墨二維材料。h-BN層內由強共價鍵結合，層間通過弱范德華力連接，間距大，易滑動，具有各向異性。

在熱學性質上，h-BN導熱性能好，耐熱性強，空氣中使用溫度為900℃，一個氮氣壓下，可耐3000℃的高溫。同時，h-BN單向導熱性強且熱導率隨溫度的升高變化較小，500℃以上時，熱導率在相應材料中最高且具有良好的抗熱震性能，因此，h-BN在耐高溫材料制備中被廣泛的應用[4]。在電學性質上，h-BN無自由電子，是很好的高溫絕緣材料，廣泛應用在航天器燃燒室襯里、保護套及熱屏蔽材料中。在超低溫時，h-BN輸出特性良好，可用于制作靈敏度高、響應速度快、轉換效率高的光電探測器等光電子器件。在光學性質上，h-BN光透過率較強，加之相對穩定的結構，是雷達窗口材料以及戰機隱身材料的首選。

3 二維材料的產業化發展分析

3.1 產業化概況

二維材料自發現之初就受到了廣泛的關注，在傳統和新興領域都表現出良好的應用前景。在國家政策大力支持下，我國二維材料產業發展態勢迅猛，市場規模不斷擴大。據預測，到2020年，僅石墨烯產業便可達到百億的規模。從產業鏈布局看，從二維材料的制備到應用研究、產品生產，再到下游應用的整個產業鏈環節，我國基本已覆蓋完全。從產業分布來看，我國已經基本形成以首都為核心、東部沿海城市為聚集區、全國多地呈點狀分布的產業布局。從應用領域看，二維材料的應用涵蓋了新能源、光伏發電、航空航天等多個領域。從產業進程看，未來20年內，我國將實現二維材料從實驗室向產業化應用的轉變，并有望支撐傳統產業的升級換代。

3.2 產業化發展面臨問題

二維材料產業化面臨的諸多問題不容忽視，一是技術問題，二是成本問題，三是市場問題。在技術上，如何規模化的制備出成本低廉、質量優秀、環境友好的二維材料仍是個巨大的挑戰。在成本上，二維材料制備以及應用到產品上的成本相對高昂，這在很大程度上制約了產業化的進程。在市場上，目前為止，我國二維材料仍處于產業化發展的初期，尚未建立起比較完整的大規模應用市場。

3.3 產業化發展建議

為推動二維材料產業的進一步發展，真正體現其應用價值，需有針對性地解決重點問題，相關的產業化發展建議如下：

第一，產學研用協同發展。學校、科研院所、企業等要實現緊密的融合發展，發揮各自的優勢。學校科研院所應將科研成果及時運用到企業的實際生產中，與此同時，企業對新成果加以應用并給予學校科研院所及時、動態的反饋以及技術改良意見，這既提升了產業化效率又降低了成果轉化成本，更有利于技術的發展。第二，開展重大工程項目以帶動產業的發展。政府要在一定程度上加以引導，圍繞我國重點發展需求，整合全國性的優勢資源開展有影響力的重大科技項目，以此來提高二維材料產業相關的自主研發和科技創新水平。第三，培育龍頭企業。選擇一批發展態勢良好、技術過硬的代表性企業進行重點扶持。支持優勢企業的兼并重組、技術轉讓，使二維材料企業產業化發展更加集中。第四，要建立以市場為主導的創新和應用方向選擇機制，以推動二維材料大規模市場應用的發展。第五，優化產業發展環境。加強二維材料知識產權保護及前瞻性的建設布局，進一步建立和完善二維材料全產業鏈相關的標準體系，為二維材料的產業化發展營造一個良好的環境。

4 結語

經過十幾年的發展，二維材料在各科技領域的關注度越來越高，產業化前景備受青睞。但從新興材料到產業化發展過程中，二維材料依然面臨著巨大的挑戰。為加快產業化進程，使我國二維材料產業在全球化進程中占據核心技術話語權，需要基礎研究界、產業界、企業界以及政府各相關部門的緊密配合，才能形成有中國特色符合中國二維材料產業發展現狀的發展路線。

參考文獻：

[1]高利芳，宋忠乾，孫中輝.新型二維納米材料在電化學領域的應用與發展[J].應用化學，2018，35（3）：247-258.

[2]Letizia Chiodo.Two-dimensional innovative materials for photovoltaics[J].Current opinion in green and sustainable chemistry，2019，17.

[3]單俊杰.二硫化鉬薄膜及其光電器件的制備和性質研究[D].長春：長春理工大學，2018，1-2.

[4]滕瑜，陳福亮，宋群玲等.新材料石墨烯及產業化發展與前景[J].昆明冶金高等專科學校學報，2017，33（05）：1-6.