全球涌動石墨烯熱 產(chǎn)業(yè)前景十分誘人

文/呂 偉 楊全紅

全球涌動石墨烯熱 產(chǎn)業(yè)前景十分誘人

文/呂 偉 楊全紅

超薄超輕型飛機、超薄可折疊手機、太空電梯……被譽為“21世紀(jì)神奇材料”的石墨烯以其神奇特性承載著人們的無數(shù)想象。世界主要國家均高度重視發(fā)展石墨烯相關(guān)產(chǎn)業(yè)，期待它帶來巨大的市場價值

2014年底，西班牙石墨烯公司同科爾多瓦大學(xué)合作研究出首例石墨烯聚合材料電池，其儲電量是目前市場最好產(chǎn)品的3倍，用此電池提供電力的電動車最多能行駛1000公里，而其充電時間不到8分鐘。該公司已與德國四大汽車公司中的兩家進(jìn)行聯(lián)合測試，計劃在2015年將該電池投入生產(chǎn)。

2014年10月，美國麻省理工學(xué)院研究人員發(fā)現(xiàn)，揉皺的石墨烯紙可用于制備易彎曲、折疊或拉伸到其原始大小800%的超級電容器，且揉皺—平復(fù)1000次其性能也不發(fā)生明顯降低。

石墨烯的發(fā)現(xiàn)者可能未曾預(yù)料到它的研發(fā)會有如此迅猛的突破。2004年，英國曼徹斯特大學(xué)物理學(xué)家安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫通過簡單的“機械剝離法”，利用“膠帶”從石墨表面“撕”出單層的石墨——石墨烯。2010年諾貝爾物理學(xué)獎授予了這兩位物理學(xué)家，以表彰他們對石墨烯的研究。

石墨烯是單原子層的二維晶體材料，也是結(jié)構(gòu)最為簡單的碳材料。常見的石墨材料可以看作由石墨烯層層堆疊而成，因此石墨烯也被視作 “單層石墨”。被譽為“21世紀(jì)神奇材料”的石墨烯是目前已知的世上最薄、最堅硬、室溫下導(dǎo)電性最好而且擁有強大靈活性的納米材料：它可以薄到只有一個碳原子的厚度，1毫米厚的石墨薄片中能剝離出300萬層石墨烯；它很硬，其強度比鋼還要高200倍；在室溫下，電阻率最低的物質(zhì)是銀，而石墨烯的電阻率比銀還小；它透明而不透氣……種種特性使石墨烯未來在觸摸屏、傳感器、蓄電池等諸多領(lǐng)域的應(yīng)用充滿想象。

科學(xué)家預(yù)計，未來5到10年里，石墨烯研究會有很大發(fā)展，首個石墨烯觸摸屏將在三五年內(nèi)上市，石墨烯電子紙樣品2015年可以研發(fā)成功，超薄超輕型飛機、超薄可折疊手機、高強度航空材料，甚至更富想象力的太空電梯等未來設(shè)備將在相關(guān)領(lǐng)域引發(fā)革命性突破，并帶動價值數(shù)萬億美元的新興產(chǎn)業(yè)鏈。

目前，石墨烯原材料石墨的市場售價約為3000元/噸，而提煉成石墨烯后，石墨烯的市場售價高達(dá)100萬元/噸。隨著批量化生產(chǎn)和大尺寸難題逐步突破，石墨烯的產(chǎn)業(yè)化步伐正在加快，國內(nèi)外相關(guān)機構(gòu)的科研投入力度也在上升，市場關(guān)注度隨之升溫。

中國發(fā)展迅速，基礎(chǔ)與應(yīng)用研究并行

中國是目前石墨烯研究和應(yīng)用開發(fā)最為活躍的國家之一。數(shù)據(jù)顯示，在所有國家中，中國申請的石墨烯專利數(shù)量最多，已超過2200項，占全世界的1/3。2013年工信部發(fā)布的《新材料產(chǎn)業(yè)“十二五”發(fā)展規(guī)劃》中的前沿新材料中就包含石墨烯。國家自然科學(xué)基金委資助了大量有關(guān)石墨烯的基礎(chǔ)研究項目，國家科技重大專項、國家973計劃也部署了一批重大項目。各級政府對石墨烯表現(xiàn)出極大的興趣，已經(jīng)初步形成了政府、科研機構(gòu)、研發(fā)和應(yīng)用企業(yè)協(xié)同創(chuàng)新的官產(chǎn)學(xué)研合作對接機制。2011年10月，江蘇常州成立了江南石墨烯研究院，為國內(nèi)首個基于石墨烯材料及應(yīng)用的產(chǎn)業(yè)化基地。

中國目前已經(jīng)走在了石墨烯產(chǎn)業(yè)化的前列，涌現(xiàn)出了一大批石墨烯相關(guān)企業(yè)，產(chǎn)業(yè)方向集中在石墨烯的制備以及儲能、觸摸屏和涂層等幾個應(yīng)用領(lǐng)域。科學(xué)家也已經(jīng)開發(fā)了一系列石墨烯基儲能材料，如石墨烯基高密度多孔碳材料，為促進(jìn)石墨烯的實際應(yīng)用鋪平了道路。2013年7月，中國石墨烯產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟在北京成立。聯(lián)盟的成立有助于整合協(xié)調(diào)產(chǎn)業(yè)資源，建立上下游、產(chǎn)學(xué)研信息、知識產(chǎn)權(quán)等資源共享機制，提升石墨烯產(chǎn)業(yè)鏈的整體創(chuàng)新水平和競爭力。

英國投入巨資，確保英國能做出名堂

英國是石墨烯的“誕生地”，但是相關(guān)研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化卻落后于中國、韓國、日本和新加坡等亞洲一些國家。

為改變這種局面，近幾年，英國政府投入巨資加速石墨烯的研發(fā)。2011年，英國政府宣布投入5000萬英鎊（1英鎊約合1.52美元）支持石墨烯研究，包括建立總投資達(dá)6100萬英鎊的國家石墨烯研究院；2012年12月，英國政府增撥2150萬英鎊用以資助石墨烯材料應(yīng)用領(lǐng)域的研究；2013年英國政府聯(lián)合歐洲研究與發(fā)展基金會共同出資6100萬英鎊在曼徹斯特大學(xué)成立國家石墨烯研究院，由兩位諾貝爾獎得主領(lǐng)銜，該研究院預(yù)計于2015年初建成。2014年，英國政府聯(lián)合馬斯達(dá)爾公司宣布繼續(xù)投資6000萬英鎊在曼徹斯特大學(xué)成立石墨烯工程創(chuàng)新中心，作為國家石墨烯研究院的補充，加速石墨烯的應(yīng)用研究和開發(fā)，維持英國在石墨烯及其他二維材料方面的世界領(lǐng)先地位。英國財政大臣奧斯本稱，英國政府將“致力于確保讓英國的發(fā)現(xiàn)在英國做出名堂來”。

不僅如此，英國還涌現(xiàn)了眾多致力于石墨烯生產(chǎn)和應(yīng)用的公司，比如英國著名的體育用品海德公司已于2013年起推出了添加石墨烯的網(wǎng)球拍，諾瓦克·德約科維奇等眾多網(wǎng)球明星都在使用這款球拍。

美國實力雄厚，科研與產(chǎn)業(yè)并駕齊驅(qū)

美國作為科技強國，研發(fā)實力強，對石墨烯的研究投入開始較早，投入力度也相對較大。美國國防部高級研究計劃署2008年7月就發(fā)布了總投資2200萬美元的碳電子射頻應(yīng)用項目，旨在開發(fā)超高速和超低能量應(yīng)用的石墨烯基射頻電路。2006～2011年間，美國國家自然科學(xué)基金關(guān)于石墨烯的資助項目有200項左右，涵蓋了石墨烯研究和應(yīng)用的各個領(lǐng)域。2014年，國家自然科學(xué)基金投入1800萬美元、美國空軍科研辦公室投入1000萬美元對石墨烯及相關(guān)的二維材料開展基礎(chǔ)研究。

美國良好的創(chuàng)業(yè)環(huán)境也促使了眾多小型石墨烯企業(yè)的誕生，產(chǎn)業(yè)化和應(yīng)用進(jìn)程相對較快。美國具有眾多研發(fā)實力強勁的大型企業(yè)，如國際商業(yè)機器公司（IBM）、英特爾、波音等投入大量的科研力量進(jìn)行石墨烯的研發(fā)。2012年，美國IBM公司成功研制出首款由石墨烯圓片制成的集成電路，使石墨烯特殊的電學(xué)性能彰顯出應(yīng)用前景，預(yù)示著未來可用石墨烯圓片來替代硅晶片。2014年10月，IBM研究人員發(fā)現(xiàn)石墨烯材料能大幅降低藍(lán)光LED成本，而這種技術(shù)有機會催生高頻晶體管、光探測器、生物傳感器以及其他“后硅時代”組件，為此，該公司計劃未來5年內(nèi)投入30億美元研究下一代芯片技術(shù)。

歐盟聯(lián)合研發(fā)，積極搶占戰(zhàn)略制高點

歐盟近年來對石墨烯的研發(fā)也投入較大。截至2011年，歐盟總共投入了約1.5億歐元推動石墨烯的相關(guān)研發(fā)。歐盟現(xiàn)有50余家公司在開展石墨烯的研發(fā)、產(chǎn)業(yè)化以及應(yīng)用的推進(jìn)。除了政府推動的學(xué)術(shù)研究，許多工業(yè)巨頭，如巴斯夫及拜耳公司等，也投入了相當(dāng)?shù)娜肆拓斄訌妼κ┫嚓P(guān)應(yīng)用的研發(fā)。

2013年1月，歐盟委員會更是將石墨烯列為“未來新興技術(shù)旗艦項目”之一，計劃10年內(nèi)提供10億歐元資助，將石墨烯研究提升至戰(zhàn)略高度，旨在把石墨烯和其他二維材料從實驗室推向社會，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)革命和經(jīng)濟(jì)增長，創(chuàng)造就業(yè)機會。該項目由瑞典查爾姆斯理工大學(xué)牽頭、歐盟15個成員國的100多個研發(fā)團(tuán)隊組成，其中包括4名諾貝爾獎得主。

作為歐盟的重要成員國，德國于2010年啟動了石墨烯優(yōu)先研究計劃，包括38個研究項目，前3年預(yù)算經(jīng)費為1060萬歐元；德國聯(lián)邦教研部也于當(dāng)年投入了700萬歐元資助相關(guān)研究，旨在加深對石墨烯性能的理解和操控，為新型石墨烯基電子產(chǎn)品奠定基礎(chǔ)。2012年10月，德國慕尼黑工業(yè)大學(xué)的科學(xué)家成功制成石墨烯光電探測器，石墨烯制成的光電探測器能非常快速地處理和引導(dǎo)光電信號。

韓國重視專利，政府與企業(yè)合力發(fā)展

韓國石墨烯相關(guān)研究與產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛，這不但得益于韓國政府近年來不間斷的支持，也得益于本國大型公司的巨大投入。韓國原知識經(jīng)濟(jì)部預(yù)計2012至2018年間向石墨烯領(lǐng)域提供總額為2.5億美元的資助，其中1.24億美元用于石墨烯技術(shù)研發(fā)，1.26億美元用于石墨烯商業(yè)化應(yīng)用研究。2013年，韓國產(chǎn)業(yè)通商資源部宣布整合韓國國內(nèi)研究機構(gòu)與企業(yè)力量推進(jìn)石墨烯商業(yè)化發(fā)展，包括韓國科學(xué)技術(shù)院在內(nèi)的41家研究機構(gòu)將與6家企業(yè)形成石墨烯聯(lián)盟，合作攻關(guān)，政府將在未來6年投入4230萬美元，希望打造每年153億美元的市場，形成25家全球領(lǐng)先企業(yè)。韓國注重保護(hù)和申請石墨烯專利，專利量居全球第三，僅次于美國和中國，遠(yuǎn)高于歐洲其他國家。

產(chǎn)業(yè)企業(yè)層面，韓國三星投入了巨大研發(fā)力量，保證了其在石墨烯應(yīng)用于柔性顯示、觸摸屏以及芯片等領(lǐng)域的國際領(lǐng)先地位，在2011年研發(fā)出40英寸的石墨烯觸摸屏面板。2014年，三星先進(jìn)技術(shù)研究院與韓國成均館大學(xué)聯(lián)合宣布合成了一種能在更大尺度內(nèi)保持導(dǎo)電性的石墨烯晶體，是一種可以用在柔性顯示屏和可穿戴設(shè)備上的屏幕顯示技術(shù)。韓國科學(xué)家也于去年11月宣布發(fā)明最新的石墨烯超級手機電池，可存儲與傳統(tǒng)電池等量的電量，但充電時間只需16秒。

日本政府資助，眾多企業(yè)爭相參與

日本作為碳材料產(chǎn)業(yè)最發(fā)達(dá)的國家之一，從2007年起就對石墨烯的開發(fā)進(jìn)行資助。例如：日本科學(xué)技術(shù)振興機構(gòu)2007年就對石墨烯材料和器件的技術(shù)開發(fā)項目進(jìn)行資助；經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省2011年實施的“低碳社會實現(xiàn)之超輕、高輕度創(chuàng)新融合材料”項目，重點支持了碳納米管和石墨烯的批量合成技術(shù)。

除了日本政府的相關(guān)投入外，日本眾多企業(yè)，如日立、索尼、東芝等投入了大量資金和人力從事石墨烯的基礎(chǔ)研究以及應(yīng)用開發(fā)，并取得了顯著進(jìn)展。日本索尼公司2012年就研發(fā)出了可以生成長度達(dá)120米的石墨烯的透明薄膜化學(xué)氣相生長技術(shù)。