Катализатор коммерции

В США сложился рынок графена — и широкое разнообразие его применения: коррозионно-стойкие покрытия, резина, электроника, аккумуляторы, спортивный инвентарь, специальная текстильная одежда и пр.

Терренс Баркан, исполнительный директор неправительственного графенового совета США

Фото: facebook.com

Роль госучреждений США, госпрограмм и грантов вспомогательная. Министерство энергетики (Department of Energy) в 2010-х годах финансировало НИОКР, предметом которых были графеновые материалы для уменьшения времени зарядки аккумуляторов (соисполнители Pacific Northwest National laboratory, Princeton University и компания Vorbeck Materials), автомобильные смазки (Magna в партнерстве с University of Waterloo, Promatek Research Centre и Cosma), графено-алюминиевые композиты (Pacific Northwest National Laboratory и Oak Ridge National Laboratory), электродуговая технология получения графеновых материалов угля (Rice University). Аэрокосмическое агентство НАСА финансировало исследование графена для телескопа Spitzer Space Telescope (исполнитель California Institute of Technology). Los Alamos National Laboratories финансировала калий-ионные аккумуляторы с добавками графена.

В США имеет значение неправительственный Графеновый совет (Graphene Council), созданный корпоративными производителями, потребителями и индивидуалами. Совет проводит аналитическую работу, ежегодно публикуя обзор графеновой индустрии «Graphene Report» (документ продается за $5 тыс. любому). Последний обзор опубликован в марте нынешнего года. В нем помимо актуального профиля 200 компаний обобщается опыт новых технологий, осмысливаются новые формы графена, описываются методики характеризации графеновых материалов, прорабатываются стандарты на массовые сорта графена, пропагандируются новые области применения, сопоставляются графеновые патенты и анализируются коммерческие тренды на разных секторах графенового рынка.

Исполнительный директор совета Терренс Баркан (Terrance Barkan) любезно сообщил нам 15 сентября, что в работе совета участвуют 50 ведущих компаний, преимущественно из Северной Америки и Южной Америки, но также из Европы, Азии и Австралии. Например, в области монокристаллов (CVD grade materials) это Graphenea (совместно с Испанией), Grolltex, General Graphene Corporation.

Среди производителей дисперсных материалов — порошков многослойных графенов, графеновых наночастиц, оксида графена — выделяются Versarien, XG Sciences, William Blythe, Abalonyx, Standard Graphene, Talga, First Graphene, Global Graphene Group, Zen Graphene Solutions. Как правило, в качестве сырья используется графит. Технология строится на модифицированном методе Хаммера (Hummers Method) и механической эксфолиации или же ином процессе, который расщепляет графитовые микрочастицы на чешуйки размером 1–5 мкм, состоящие из одного-десяти слоев графена. Большим спросом пользуется оксид графена (он содержит до 35% кислорода, не обладает электропроводностью, но является гидрофильным материалом, и потому его удобно использовать как полупродукт в гидрохимических процессах).

Господин Баркан обратил внимание на то, что существуют сотни комбинаций и морфологий, особенно когда вы учитываете и тот графен, который был функционализирован путем добавления дополнительных элементов или соединений. «Хотя это делает семейство графеновых материалов довольно сложным, это также означает, что они могут быть "настроены" в соответствии с практическими применениями, в которых они используются»,— уверен Баркан.

— Господин Баркан, а что вы можете сказать о рынке графена в США?

— Мы идентифицировали по крайней мере 45 различных вертикальных рынков для графеновых материалов, крупнейшие из которых включают пластмассы, композиты, резину, краски и покрытия, датчики и накопители энергии. Многие крупные потребители графена, например в шинах или батареях, действуют в рамках соглашений о конфиденциальности и потому не раскрывают объемы, которые используют. Однако сейчас у нас заведомо есть несколько качественных производителей с многотонной годовой мощностью. Сочетание более зрелого развивающегося рынка и масштабов производства давит на цены графена, и они становятся все более конкурентоспособными. Цены по-прежнему сильно варьируются в зависимости от типа материала, объема и области применения, меняясь от нескольких тысяч долларов за килограмм до всего лишь $50 за килограмм.

Важно отметить, что цена может быть обманчивой, потому что во многих приложениях требуется совсем немного графена, чтобы получить значительное улучшение свойств. Например, графен в весовой доле 0,02% может увеличить прочность цемента на сжатие примерно на 30%. Это означает, что, даже когда графен находится в высоких ценовых диапазонах, он оказывает небольшое влияние на стоимость конечного продукта. Гораздо важнее убедиться, что у вас есть правильный материал для применения.

В автомобилестроении внедрение новых материалов занимает 10–20 лет. Направления разработок компании Ford в области графеновых материалов представлены на рисунке

Мы видим, что одно из наиболее перспективных направлений для внедрения и роста находится в автомобильном и аэрокосмическом секторах из-за необходимости «облегчать» — делать материалы прочнее, чтобы вы могли использовать их меньше и/или заменять тяжелые материалы, такие как металлы. В частности, термопласты — это горячая тема, потому что графен может не только упрочнить их, но и изменить тепловой профиль, чтобы они могли работать в более широких температурных диапазонах.

Совет представляет всю «экосистему графена», от академических институтов до поставщиков сырья, производителей графена, компаний-посредников и до конечных пользователей, таких как Ford Motor Co. Мы помогаем связать компании, которые хотят воспользоваться преимуществами графена, с надежными производителями и экспертами по предмету, способными помочь в разработке приложений. По сути, мы выступаем как катализатор для коммерческого внедрения и эксплуатации графена, чтобы помочь создать следующее поколение передовых материальных продуктов и приложений.

Турбостратный графен

В профессиональном сообществе в 2020 году одна из самых обсуждаемых тем — электродуговой материал, получаемый из углеродсодержащих отходов (древесные опилки, пластиковые отходы — все, что содержит углерод, вплоть до биоотходов) и природных углей. Разработку осуществил профессор Тур с сотрудниками в университете Райса (Хьюстон, США). Он утверждает, что цена такого графена может быть низкой, менее $10 за килограмм.

Некоторые специалисты, например Владимир Самойлов из института «НИИграфит» (Москва), полагают, что получаемый материал является по крайней мере двухфазным и представляет смесь сажеобразных структур и примерно 10% графена. Причем разделить фазы очень дорого, а использовать такой материал можно только в особых, нишевых применениях. «В принципе аналогия есть — детонационный метод синтеза алмазов. Но там получается ужасная смесь сажи и алмазов, их очистка снова требует неимоверного количества кислот, а без этого никакие полезные свойства алмазов не проявляются ни в каких применениях»,— добавил Владимир Самойлов.