我国二维材料产业化发展现状研究

张晴晴

摘 要：因独特的结构及性质，二维材料的兴起开启了新型材料研究领域的新篇章。本文首先对二维材料的发展、结构性质和分类情况进行了简单总结;其次对典型的二维材料发展现状、基本性质及应用领域进行了重点的分析;最后对二维材料产业化发展的现状进行概述，并就现在面临的技术、成本和市场问题提出相应的产业化发展建议，以期为二维材料的发展、产业化进程的加快提供有利的参考。

关键词：二维材料;产业化;问题;建议

0 引言

二维材料的概念始于2004年单原子层石墨烯通过胶带被成功从石墨中分离出来，并由此开辟了新型材料研究领域的篇章。二维材料是指电子只可以在两个维度的非纳米尺度（1-100nm）上自由运动的材料[1]，拥有独特的物理、化学、电学、光学特性，日渐成为国内外学者的研究热点。

1 二维材料概述

二维材料层内由强化学键连接，层与层之间以弱范德华力相耦合，可被剥离成为单层或者多层原子层厚的薄片材料。相比于传统材料，二维材料独特性质包括：（1）超高的机械强度。二维材料抗断裂性强，韧性好，易延展但不易断裂。（2）较好的电学性质。迄今为止已发现几十种电学相关性质各异的二维材料，涵盖了金属、半导体、绝缘体等不同的属性，可满足不同的应用。（3）较高的可加工性。二维材料可通过微加工的方法制备出各种复杂结构的材料，以达到可预期的特性。（4）结构的各向异性。由于层内强化学键的连接，二维材料表面结构呈现各向异性，如光谱吸收、导电率各向异性等。

随着研究的深入，各类二维材料不断被分离出来。按照结构性质的不同，主要被分为五大类：一是单原子层单质二维材料，如石墨烯;二是过渡金属硫属化合物，如二硫化钼（MoS2）;三是过渡金属碳化物和氮化物，如二碳化三钛（Ti3C2）等;四是有机二维材料，如金属有机框架二维材料（MOFs）等;五是具有一些其他结构的二维材料，如石墨烯合成的氧化石墨烯、氧化物二维材料等。

2 典型二维材料发展现状

2.1 石墨烯

石墨烯是目前唯一天然存在的二维材料，是已知最薄的材料。石墨烯碳原子在sp2轨道上杂化形成σ键，保证了平面结构的稳定性。多余的电子形成大π键，使电子可自由移动，因此石墨烯具有超高的导电性[2]。基于穩定结构和超高导电性，石墨烯或成为下一代晶体管先进研究的关键性材料。石墨烯还可实现零阻力传导电子，故可用作研究非常规超导现象，有望推动超导研究进程。在力学特性上，石墨烯强度极高，在新型复合材料的制备、柔性电子器件研制上有天然优势。在光学特性上，单层石墨烯透光率高达97.7%，且可在较宽的光谱范围实现快速响应，在光电子器件研究领域有着巨大的发展潜力。此外，石墨烯感应环境改变时灵敏性极高，有望开启新型传感器研制的新时代。在化学特性上，石墨烯表面积大，经过功能化的特殊处理后可得到某些可期的特性，在燃料电池、超级电容研发中备受青睐。在热学特性上，石墨烯热稳定性强、导热性好，能满足系统高集成度、高功率的散热需求，可推动新型散热薄膜研究的发展。

2.2 二硫化钼

二硫化钼（MoS2）为过渡金属硫化物，是由两个硫原子和一个钼原子组成的片层状堆积结构，层间通过范德华力结合在一起，可分离为单层或少层，硫和钼原子间有较强的共价键，结构稳定。

在光电特性上，MoS2带隙结构可控，随着原子层数的不同，其带隙类型、电子跃迁方式以及荧光发射和吸收均不同，光电特性也不同，因此在低功耗开关、光电器件上应用广泛。在化学特性上，MoS2比表面积大，特有的电化学性质有利于气体的吸收，且在吸收不同气体分子时导电性能不同，在传感器研究方面有很大的应用空间。在机械性能上，MoS2杨氏模量和机械强度均很高，在一定程度上为最佳的柔性电子材料。在结构特性上，MoS2为类石墨烯层状结构材料，可修饰性强、物相容性高，近年在生物传感分析和医学检验检测领域得到了相对广泛的应用，如：MoS2作为DNA传感检测材料取得了很好的实用性效果[3]。

2.3 磷烯

磷烯是一种P型类石墨烯的二维材料。磷烯层内原子由sp3杂化并通过共价键连接，层间由弱范德华力结合，难溶于有机溶剂，不易发生化学反应。

在电学性质上，磷烯有超高的载流子迁移率，同时具有直接带隙性质且可调范围比较大并随外部应力的改变而变化，可以利用磷烯层数以及外部应力大小的不同来调节其带隙以满足实际应用，特有的电学性质使磷烯在微波通信和场效应晶体管等电子学器件方面的应用较为广泛。在光学性质上，磷烯与光耦合后可直接从非导体变为导电体，且光响应波段范围较大，因此磷烯在光学通信、热成像、医药应用等多种领域都有很大的应用潜力。实验发现，磷烯在1～5μm的波长范围内光传导效率比较高，这说明磷烯在近红外和中红外的光电器件领域有应用前景。在化学性质上，磷烯极易氧化，空气环境中无法直接应用，但可通过掺杂等特殊工艺处理后得到正常环境下可稳定使用且性能有所提升的材料，如磷烯和碳纳米管的复合材料具有更好的力学和电学性质，并在二次电池负极材料和超级电容中得到广泛的应用。

2.4 六方氮化硼

六方氮化硼（h-BN）是由硼原子和氮原子sp2杂化成的六元环状类石墨二维材料。h-BN层内由强共价键结合，层间通过弱范德华力连接，间距大，易滑动，具有各向异性。

在热学性质上，h-BN导热性能好，耐热性强，空气中使用温度为900℃，一个氮气压下，可耐3000℃的高温。同时，h-BN单向导热性强且热导率随温度的升高变化较小，500℃以上时，热导率在相应材料中最高且具有良好的抗热震性能，因此，h-BN在耐高温材料制备中被广泛的应用[4]。在电学性质上，h-BN无自由电子，是很好的高温绝缘材料，广泛应用在航天器燃烧室衬里、保护套及热屏蔽材料中。在超低温时，h-BN输出特性良好，可用于制作灵敏度高、响应速度快、转换效率高的光电探测器等光电子器件。在光学性质上，h-BN光透过率较强，加之相对稳定的结构，是雷达窗口材料以及战机隐身材料的首选。

3 二维材料的产业化发展分析

3.1 产业化概況

二维材料自发现之初就受到了广泛的关注，在传统和新兴领域都表现出良好的应用前景。在国家政策大力支持下，我国二维材料产业发展态势迅猛，市场规模不断扩大。据预测，到2020年，仅石墨烯产业便可达到百亿的规模。从产业链布局看，从二维材料的制备到应用研究、产品生产，再到下游应用的整个产业链环节，我国基本已覆盖完全。从产业分布来看，我国已经基本形成以首都为核心、东部沿海城市为聚集区、全国多地呈点状分布的产业布局。从应用领域看，二维材料的应用涵盖了新能源、光伏发电、航空航天等多个领域。从产业进程看，未来20年内，我国将实现二维材料从实验室向产业化应用的转变，并有望支撑传统产业的升级换代。

3.2 产业化发展面临问题

二维材料产业化面临的诸多问题不容忽视，一是技术问题，二是成本问题，三是市场问题。在技术上，如何规模化的制备出成本低廉、质量优秀、环境友好的二维材料仍是个巨大的挑战。在成本上，二维材料制备以及应用到产品上的成本相对高昂，这在很大程度上制约了产业化的进程。在市场上，目前为止，我国二维材料仍处于产业化发展的初期，尚未建立起比较完整的大规模应用市场。

3.3 产业化发展建议

为推动二维材料产业的进一步发展，真正体现其应用价值，需有针对性地解决重点问题，相关的产业化发展建议如下：

第一，产学研用协同发展。学校、科研院所、企业等要实现紧密的融合发展，发挥各自的优势。学校科研院所应将科研成果及时运用到企业的实际生产中，与此同时，企业对新成果加以应用并给予学校科研院所及时、动态的反馈以及技术改良意见，这既提升了产业化效率又降低了成果转化成本，更有利于技术的发展。第二，开展重大工程项目以带动产业的发展。政府要在一定程度上加以引导，围绕我国重点发展需求，整合全国性的优势资源开展有影响力的重大科技项目，以此来提高二维材料产业相关的自主研发和科技创新水平。第三，培育龙头企业。选择一批发展态势良好、技术过硬的代表性企业进行重点扶持。支持优势企业的兼并重组、技术转让，使二维材料企业产业化发展更加集中。第四，要建立以市场为主导的创新和应用方向选择机制，以推动二维材料大规模市场应用的发展。第五，优化产业发展环境。加强二维材料知识产权保护及前瞻性的建设布局，进一步建立和完善二维材料全产业链相关的标准体系，为二维材料的产业化发展营造一个良好的环境。

4 结语

经过十几年的发展，二维材料在各科技领域的关注度越来越高，产业化前景备受青睐。但从新兴材料到产业化发展过程中，二维材料依然面临着巨大的挑战。为加快产业化进程，使我国二维材料产业在全球化进程中占据核心技术话语权，需要基础研究界、产业界、企业界以及政府各相关部门的紧密配合，才能形成有中国特色符合中国二维材料产业发展现状的发展路线。

参考文献：

[1]高利芳，宋忠乾，孙中辉.新型二维纳米材料在电化学领域的应用与发展[J].应用化学，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]单俊杰.二硫化钼薄膜及其光电器件的制备和性质研究[D].长春：长春理工大学，2018，1-2.

[4]滕瑜，陈福亮，宋群玲等.新材料石墨烯及产业化发展与前景[J].昆明冶金高等专科学校学报，2017，33（05）：1-6.