天然石墨的成因、晶体化学特征及对石墨烯产业化的约束

来源 :中国地质大学(北京) | 被引量 : 28次 | 上传用户:xiaomayc
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石墨烯及其应用技术在新一轮产业革命中占据重要地位。天然石墨制备石墨烯过程中原料选取及品质控制工作是石墨烯产业化瓶颈问题之一,该工作对指导石墨烯产业终端应用和推动石墨烯产业化具有重要的理论意义和实际价值。然而,这方面见诸文献的报道很少。论文选择天然石墨的成因、晶体化学特征作为主要研究内容,采用矿床学、矿物学、晶体化学与晶体物理学、资源产业经济学、石墨烯制备过程中原料选择及品质控制研究等多学科综合研究的新方法,引进石墨矿床的研究方法并提出天然石墨对石墨烯产业化的约束这样一个新命题,探讨了天然石墨的成因、晶体化学特征对石墨烯产业化的约束,从新视角入手以揭示特定成矿地质条件约束的天然石墨对石墨烯下游应用的适用性。论文主要结论:(1)全球鳞片石墨、脉型石墨和土状石墨的形成条件主要是热力学条件、碳源、有机生物、沉积建造等方面。(2)天然石墨成因及石墨化程度决定了石墨晶体的结构、特征及物理化学特征,天然石墨的成因、晶体化学特征对氧化石墨(烯)和石墨烯结构、属性及电化学性能、导电性能有重要影响。(3)鳞片石墨的成因是影响石墨烯属性及电性能的重要因素,也是影响石墨烯制备过程中氧化-还原产物性能的重要因素。(4)天然石墨都能作为石墨烯制备过程中的初始原料,根据赋矿地质条件可以预测石墨矿物对石墨烯下游应用的适用性,且能够预先确定特定地质条件产出石墨矿物制备的石墨烯粉体适合或不适合供给下游前沿新材料石墨烯企业。(5)从企业集团、产业集群、数据库系统、石墨烯资源经济带、区域协调政策、环境法规、行业标准、动态检测等方面,提出了推动石墨烯产业化的建议。论文创新性表现在:(1)绘制了天然石墨成矿过程框架图,将天然石墨成矿过程概括为“碳质来源+含矿岩石+热力学条件+石墨化”,定义为天然石墨成矿的四要素。(2)构建了下游前沿新材料石墨烯的原料选取及品质控制的理论模型。表达式为Ggeo= F(Bat,Flex,Bio,Cor,Com,Thermo)= αBat + βFlex + γBio + δCor +εCom + ζThermo模型限定了成矿地质条件→石墨矿物→石墨烯粉体→石墨烯材料的逻辑关系,以及制备的石墨烯粉体适合或不适合作为石墨烯材料的原料,为石墨烯产业终端应用提供理论基础。(3)探索了鳞片石墨制备石墨烯具可控性的技术方法,认为石墨化程度、比表面积、缺陷度、固定碳含量、碳质来源、变质相、成矿地球动力学背景等多种因素对其有不同影响,可根据对石墨烯的层数或性能的需求选择合适的天然石墨原料。(4)基于天然石墨对石墨烯产业化的约束,将石墨烯看作战略性矿产资源并提出了石墨烯资源开发利用战略的范式。
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