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石墨烯传感器将成为安全领域应用新亮点
发布时间:2017-09-01 14:42  来源:安全产业研究所  作者:黄玉垚 高宏

自去年三四季度起,全国相继发生了重特大煤矿安全事故。一时间,如何确保安全生产的监测预警发挥应有的作用再次成为关注焦点。传感器通过采集并传输被测环境信息,可实现致灾因素的有效监测预警。以石墨烯材料为核心的传感器具有比传统传感器更优越的稳定性、灵敏性、快速响应性和耐久性,伴随着物联网的发展,石墨烯传感器有望在安全物联网感知技术、安全监测预警等方面发挥更大的作用。

一、石墨烯传感器优势明显

稳定性、灵敏性、快速响应性和耐久性。石墨烯具有二维层状纳米结构,室温下相当稳定。此外,石墨烯的碳原子呈SP2杂化、π电子可以自由移动和高比表面积等特点,使其具有优良的导电性、新型的量子霍尔效应以及独特的超导性能。与传统传感器相比,石墨烯传感器有着更加优越的稳定性、灵敏性、快速响应性和耐久性,能高效的检测出待检物质,提高了安全生产领域中对危险因素的反应和预警能力。《美国国家科学院院刊》报道了一种新型石墨烯气体传感器,能“嗅”出空气中浓度极低的有害气体,在灵敏度上,比目前最先进的气体传感器高6个数量级。在工业精度要求不断提高的未来,石墨烯传感器能更快的适应各类高标准的检测需求。

实现了“一器多用”的功能。石墨烯由于其独特的结构和优越的性能,以它为基本材料制备的传感器能应用于更多领域,目前已经成功制备出石墨烯传感器可同时用于不同气体分子、DNA、细菌、身体机能、有害颗粒等方面的检测,实现了“一器多用”的功能。英国南安普顿大学和日本先进科学技术研究所共同开发的石墨烯传感器,能同时检测建筑有机气体、室内二氧化碳含量、家具挥发的甲醛等。而传统的传感器则是针对不同的检测物质,利用不同的制备工艺和材料制备的,只能检测出一种或两种物质,功能较为单一。

成本低廉、制备简单。目前探明的全球天然石墨储量约为7100万吨,其中中国储量约为5500万吨,占全球储量的77%,居世界首位,而且价格比一般传感器原材料(硅)要低很多。同时,石墨烯传感器制备过程简单,只需机械剥离的方法就可以制备出分子水平灵敏度的传感器。石墨烯传感器低廉的成本和简单的制备工艺,已经成为全世界范围内科研机构和业内企业的研究重点。

二、石墨烯传感器布局安全领域面临诸多挑战

实际应用仍显单薄。目前,石墨烯传感器在安全领域内的应用主要集中在环境监测和人体健康监测方面。在煤矿瓦斯检测与预警方面,石墨烯传感器能高度灵敏的检测出一氧化碳和甲烷的存在。德国伊本布伦煤矿对石墨烯传感器进行了试点应用,发现在瓦斯检测方面,其灵敏度要比现有半导体传感器高2个数量级。在人体健康监测方面,石墨烯传感器可与传统运动护腕结合,在护腕表面设置石墨烯显示屏,能够实时掌握脉搏等身体机能的状况。理论上,石墨烯传感器在重金属检测、机电设备性能监控等其他安全领域也有很好的应用前景,但目前还没有实际应用案例。

生产技术尚存风险。目前我国石墨烯传感器在规模化制备技术、绿色制备技术等方面均存在瓶颈,无法真正体现石墨烯传感器作为高性能、高品质材料的特性和价值。实现低成本、批量化、稳定的制备大面积、杂质缺陷可控、层数可控的石墨烯传感器仍是一个难题,直接制约其在安全领域的应用。此外,石墨烯传感器在生产过程中会涉及一系列化学反应,需要添加盐酸、硫酸等强酸物质,以及水合肼、乙二胺等具有毒性的还原剂,产生的废水和固废若处理不当会通过地表水迅速传播,对生态环境造成很大影响。目前以这种非绿色工艺进行石墨烯传感器制备的企业并不在少数,再加上环保设施缺失,对生态环境安全存在较大隐患。

产业链并不完备。目前,石墨烯传感器尚处于实验论证阶段,产业发展总体上处于产业化突破前期,产业化条件并不完备。一是研发主体仍是高校和科研机构为主,而非企业,研发偏重于基础科学而非实用技术,与实际市场需求存在脱节。二是石墨烯传感器的应用需求有限,一些实际应用,如温度传感器和瓦斯传感器,由于缺少规模化制备技术和性能检测手段等原因,市场需求量不大,无法靠市场力量拉动产业发展。三是石墨烯传感器应用、认证、检测、使用标准等方面仍是空白。

三、石墨烯传感器布局安全领域的几点思考

围绕安全需求,找准石墨烯传感器应用突破口。各地区要充分认识到本地区石墨烯产业情况、安全产业支柱领域、安全事故多发类型和政策支撑力度等问题,在政府政策引导和市场调节下,围绕本土安全需求,如危化品安全储运、矿山安全生产监控、城市安防等,有针对性的布局石墨烯传感器产业化应用方向,重点攻关,建立相关准入标准,找准突破口,伺机切入。有发展条件和研发基础的地区,要以市场为导向,围绕支柱产业或新兴产业的安全需求布局石墨烯传感器,从而引领石墨烯传感器产业在安全领域多角度、健康发展。

加快研发与技术创新,提升石墨烯传感器发展动力。整合各类创新资源,构筑技术聚集高地,加强创新人才引进,成立石墨烯传感器创新中心,制定技术创新目录和技术突破路线图;对制备技术、规模化生产工艺、下游高端应用等关键技术加强攻关,重点培育石墨烯与半导体材料复合技术、氧化还原技术、液相剥离技术等石墨烯传感器关键制备工艺技术,降低规模化生产成本;加大绿色工艺的开发与应用,积极探寻环保材料代替对环境造成污染的添加剂,完善环保设施建设,废水或废弃物的排放要严格执行国家相关标准。

抓住重点环节,促进产业链的形成。一是建设企业化运作、开放式的石墨烯研发、检测公共服务平台,培育示范性和导向性的下游企业,提升企业的研发能力。二是加大投资与政策扶持力度,鼓励具有一定规模、具备发展潜力的石墨烯企业进入资本市场,利用市场的力量规范石墨烯传感器产业的发展。三是在政府的引导下,积极推动石墨烯传感器国家标准的制定,构建行业技术标准,掌控行业话语权,驱动石墨烯传感器产业链的形成。

 

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