石墨烯在节能环保行业前景浅析

石墨烯在节能环保行业前景浅析

1环保行业发展概况

1.1环保行业简介

环保产业是指在国民经济结构中，以防治环境污染、改善生态环境、保护自然资源为目的而进行的技术产品开发、商业流通、资源利用、信息服务、工程承包等活动的总称。美国将之称为“环境产业”，日本称为“生态产业”或“生态商务”。

进入21世纪，全球环保产业开始进入快速发展阶段，成为支撑国家经济效益的重要力量，并正在成为许多国家改革和调整产业结构的重要目标。美国、欧盟以及日本的环保产业由于发展较早，为全球环保市场的主要力量。

1.2市场格局

图1-1美日德在亚洲环保市场领域所占份额（%）

目前欧美等发达国家的环保产业由于起步较早，已经基本趋于饱和，而像中国、印度等新型大国由于环保产业起步较晚，目前环保产业正处于飞速上升期，每年环保投入以及环保产业规模都在不断扩大。发达国家正积极布局亚洲等地区的环保市场。目前，美、日、德三国在亚洲环保市场的大气污染控制、废水处理、固体废弃物处理等领域已占据较大份额，如图1-1所示。

1.2石墨烯在环保行业的应用

石墨烯是最坚硬的材料之一，且具有巨大的比表面积和极佳的导电性等众多优异性能，使其在环保领域具有非常广阔的应用前景及巨大的潜在市场价值。1.2.1海水淡化

中国科学技术大学吴恒安教授与诺奖得主英国曼彻斯特大学安德烈·海姆教授课题组合作研究发现，氧化石墨烯薄膜具有精密快速筛选离子的性能。研究表明，水环境中的氧化石墨烯薄膜与水相互作用后，形成约0.9纳米宽的毛细通道，允许直径小于0.9纳米的离子或分子快速通过，而直径大于0.9纳米的离子被完全阻隔。该筛选效应不仅对离子尺寸要求非常精准，而且比传统的浓度扩散快上千倍，如图1-2所示。研究人员称，如果通过机械手段进一步压缩薄膜中的毛细通道尺寸，将能高效率地过滤海水中的盐分。这意味着制造一个在几分钟内即可将一杯海水淡化成饮用水的过滤装置。

图1-2石墨烯薄膜筛选小分子示意图

1.2.2污水处理

随着人口数量的几何增长、现代工业废水的乱排乱放、城市垃圾、农村农药喷洒等等，造成本来已是极少的淡水资源加剧短缺，无法为人所用。每年大量的废污水给我国的环保行业带来巨大的压力。图1-3为我国近年污水排放量数据。

图1-3我国污水排放量

水污染情况不断加剧，使得污水处理受到空前的关注。人们在积极寻找污水处理与利用的方法。基于活性面积大、强度高、化学稳定性好、可修饰性强以及导电性好等优点，石墨烯不仅可很好的吸附水中的有机溶剂、重金属等污染物，还可作为催化剂载体，催化水中污染物的降解，因而作为污水处理材料被人们广泛研究。

2015年12月，曾任英国剑桥大学化学系生物物理化学实验室副主任，现任江苏师范大学化学化工学院的李海涛教授利用石墨烯的高吸附性，柔韧性，超薄以及环保绿色的优势，将其作为一种过滤材料的核心，选取粒径为500nm的石墨烯碎片，通过一种特殊的物理技术，把石墨烯碎片送入活性炭的细孔并附椎在内表面上，达到增加过滤材料的比表面积，改善过滤效果，研制出一种功能性材料——石墨烯炭分子筛。

该材料具有超高的吸附性，且轻薄、稳定、耐热、比表面积大、对人体无害。与同等重量的活性炭相比其吸附性能提高20倍。同时，这种石墨烯炭分子筛新材料还可用于空气质量改善和汽车换气系统滤膜的开发，对环境问题具有很好的解决促进作用；这种石墨烯炭分子筛材料可以合成一种复合膜，可有效去除饮用水中的抗生素。这为水处理特别是饮用水的净化处理提供了一种高效滤材。

虽然吸附可以去除水中的污染物，然而这一技术仅能吸附污染物，而真要达到净化水还需要对吸附后的材料进行进一步处理。全面沉降或去除污染物可以通过催化降解的方法。催化治污成本低、效率高，具有非常好的应用前景。而石墨

烯巨大的比表面积和表面丰富的官能团赋予其优异的特性，使其作为催化剂载体等方面具有较大的潜力，石墨烯催化剂还可以杀死污水中的细菌。

1.2.3大气治理

吸收被认为是一种最合理有效的过滤空气的方法。到目前为止很多碳材料如，活性炭、碳纳米管等已经被用来净化废气。由于具有巨大的比表面积，石墨烯在大气治理方面也表现出巨大的应用潜力。人们利用石墨烯巨大的比表面积对大气中的氨、NO2、H2S等有害气体进行吸收，对大气中的CO2、O2、N2进行纯化。此外，利用石墨烯作为催化剂直接可将污染气体转化成易于收集或无毒的气体，还可将其用于高敏感性分子传感器，对大气污染物进行及时高效检测。

1.2.4节能环保

石墨烯具有高导热性，导热系数高达5300W/m·K，这一特性使石墨烯在热工装备及余热利用中具有广泛的应用前景。利用石墨烯材料，结合现有的工艺和设备，可提升技术方案和改进或新建设备，实现能耗的大幅下降，帮助传统产业满足越来越严格的环保法规，获得生存空间。

2015年，英国曼彻斯特大学的国家级石墨烯研究所研制出了全新的石墨烯灯泡，拥有比LED灯泡更坚固的结构和更低廉的价格。在不少国家，由于LED 灯泡的环保节能及使用寿命长的特性，已经有法律规定来确保LED灯泡迅速取代传统白炽灯泡。而就在白炽灯被LED灯泡逐步取代的时候，这种新型石墨烯灯泡即将为照明技术带来又一次革新，有望于当年面市并开始销售。这种新型石墨烯灯泡仍基于LED技术研发，通过石墨烯大大增强其性能和使用寿命，而且在价格上有希望比传统LED灯泡更便宜。这种创新技术的石墨烯灯泡为可调光灯泡，灯泡内有灯丝形状的LED灯，且LED灯外层会涂上石墨烯，效果图如图1-4所示。石墨烯的导电能力强，可让灯泡使用时间拉长，并减少10%的能源消耗。

图1-4石墨烯LED灯效果图

1.3石墨烯在环保领域的专利分析

我国石墨烯在环保领域专利主要集中在水处理领域，中科院宁波材料所发布的“2015石墨烯技术专利分析报告”中对国内石墨烯水处理专利进行了详细分析。从石墨烯在水处理领域的专利构成来看（见图1-5），石墨烯在水处理方面的专利申请共375件，主要集中在催化降解（专利申请量169件，占总申请量的45%）；吸附（专利申请量156件，占总申请量的42%）；过滤（专利申请量36件，占总申请量的9%）；脱盐（专利申请量14件，占总申请量的4%）。

图1-5石墨烯水处理专利类型构成

来源：2015石墨烯技术专利分析报告

结合表1-1，可以看出，水处理领域的重要申请人集中于高校，专利申请以