冷靜看待石墨烯熱潮

冷靜看待石墨烯熱潮

隨著石墨烯發(fā)明者——來自曼徹斯特大學(xué)的安德烈·蓋姆和康斯坦丁·諾沃肖羅夫于2010年被授予諾貝爾物理學(xué)獎，石墨烯研發(fā)熱潮迅速席卷全球。

一、石墨烯：新世紀(jì)的材料寵兒

人們常見的石墨是一層層以蜂窩狀有序排列的碳原子堆疊而形成的。當(dāng)石墨被剝離到單層、只有一個碳原子厚度時所得到的石墨片就是石墨烯，它看上去就像是一張六邊形網(wǎng)格構(gòu)成的平面。這種獨(dú)特的二維結(jié)構(gòu)使之具有諸多優(yōu)異性能。研究發(fā)現(xiàn)，石墨烯是目前已知的強(qiáng)度最高的物質(zhì)，是室溫下導(dǎo)電性最好的材料。此外，它還具有較高的載流子遷移率、較高的室溫?zé)釋?dǎo)率、超大的比表面積、高透明度等特性。

優(yōu)異的性能將帶來廣泛的應(yīng)用。2012年10月，諾沃肖羅夫與其他科學(xué)家在《自然》雜志上發(fā)表了題為《石墨烯路線圖》的文章，描述了石墨烯在柔性電子（包括觸摸屏、電子紙、可折疊OLED等）、光子器件、復(fù)合材料、能量存儲、傳感、生物醫(yī)學(xué)等諸多應(yīng)用領(lǐng)域?？茖W(xué)家預(yù)計(jì)，首個石墨烯觸摸屏將在三五年內(nèi)上市，石墨烯電子紙樣品到2015年可以研發(fā)成功。超輕防彈衣、超薄超輕型飛機(jī)、超薄可折疊手機(jī)、高強(qiáng)度航空材料、高性能儲能和傳感器、超級電容器，甚至更富想象力的太空電梯，越來越多基于石墨烯材料的未來設(shè)備進(jìn)入科學(xué)家的研究視野。

石墨烯縱有萬般好處，但產(chǎn)業(yè)化前路漫漫。有分析認(rèn)為，石墨烯的未來市場應(yīng)用空間極大，一旦量產(chǎn)必將成為萬億級產(chǎn)業(yè)。目前，石墨烯原材料石墨的市場售價約3000元/噸，而提煉成石墨烯后，石墨烯市場價高達(dá)100萬元/噸。盡管石墨烯在眾多領(lǐng)域擁有光明的應(yīng)用前景，但實(shí)現(xiàn)這些應(yīng)用的前提是發(fā)展大規(guī)模、低成本、大面積、結(jié)構(gòu)與性能可調(diào)控的制備技術(shù)。從制備能力來看，大多數(shù)企業(yè)及研究機(jī)構(gòu)基本在科研及中試階段，尚未具備規(guī)?；a(chǎn)能力。從材料應(yīng)用來看，科研突破也大都局限于實(shí)驗(yàn)室階段，即最大的應(yīng)用還是科研院校的實(shí)驗(yàn)使用，并沒有真正形成下游的應(yīng)用和需求，大規(guī)模產(chǎn)業(yè)應(yīng)用還需相當(dāng)一段時間。

二、各國在石墨烯研發(fā)領(lǐng)域紛紛加強(qiáng)戰(zhàn)略部署

石墨烯大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化尚需時日，研究和創(chuàng)新是法寶。特別是自英國曼徹斯特大學(xué)兩位教授因2004年在石墨烯研究方面的杰出成就而榮獲2010年諾貝爾物理學(xué)獎后，主要發(fā)達(dá)國家對石墨烯研發(fā)的支持力度進(jìn)一步加強(qiáng)。

1．歐盟集全歐洲力量推進(jìn)石墨烯旗艦項(xiàng)目。歐洲是石墨烯的誕生地，長期以來一直通過歐盟框架計(jì)劃支持石墨烯研究，并先后啟動了“歐洲石墨烯項(xiàng)目”和“石墨烯旗艦項(xiàng)目”。其中，石墨烯旗艦項(xiàng)目入選歐盟委員會于2013年1月選定的“未來新興技術(shù)旗艦項(xiàng)目”，10年投入將達(dá)10億歐元，將石墨烯研究提升至戰(zhàn)略高度，也引發(fā)了全球石墨烯領(lǐng)域研發(fā)競爭的升溫。這一項(xiàng)目的使命是幫助石墨烯從實(shí)驗(yàn)室走向社會，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)增長，并創(chuàng)造新就業(yè)。石墨烯旗艦項(xiàng)目將組成產(chǎn)學(xué)研聯(lián)盟，涵蓋從材料生產(chǎn)到零件和系統(tǒng)集成的整個價值鏈。

2．英國欲成為世界領(lǐng)先的石墨烯研發(fā)中心。石墨烯是英國國家創(chuàng)新戰(zhàn)略確定的重要新興技術(shù)之一。2011年，英國政府宣布投入5000萬英鎊支持石墨烯研究，包括建立總投資達(dá)6100萬英鎊的國家石墨烯研究院。英國不僅要“發(fā)現(xiàn)在英國”，而且還要“制造在英國”。2012年，英國政府追加2150萬英鎊資助石墨烯商業(yè)化探索研究。2014年9月，英國又宣布公私合作投資6000萬英鎊成立石墨烯工程創(chuàng)新中心，作為國家石墨烯研究院的補(bǔ)充，將加速石墨烯應(yīng)用研究和開發(fā)。這兩大科研投資項(xiàng)目凸顯了英國致力于石墨烯研發(fā)及商業(yè)化的決心和力度。

3．韓國產(chǎn)學(xué)研合作促進(jìn)石墨烯商業(yè)化。原韓國知識經(jīng)濟(jì)部曾計(jì)劃在2012－2018年向石墨烯領(lǐng)域提供2.5億美元資助，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，將整合韓國科研機(jī)構(gòu)與企業(yè)力量推進(jìn)石墨烯商業(yè)化發(fā)展，41家科研機(jī)構(gòu)與6家企業(yè)形成石墨烯聯(lián)盟，政府將在未來6年投入4230萬美元，幫助企業(yè)實(shí)現(xiàn)石墨烯的應(yīng)用產(chǎn)品與相關(guān)技術(shù)商業(yè)化，希望以此打造每年約153億美元的市場，形成25家全球領(lǐng)先企業(yè)。

4．美國通過國家自然科學(xué)基金等機(jī)構(gòu)持續(xù)支持。2006－2011年間，美國國家自然科學(xué)基金會關(guān)于石墨烯的資助項(xiàng)目近200項(xiàng)，重點(diǎn)項(xiàng)目包括石墨烯基超級電容材料、石墨烯材料連續(xù)大規(guī)模納米制造等。美國國防部先進(jìn)研究項(xiàng)目局還于2008年啟動了碳原子射頻應(yīng)用項(xiàng)目，總投入2200萬美元，開發(fā)超高速、超低功耗石墨烯基射頻電路，即用石墨烯制造計(jì)算機(jī)芯片和晶體管。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。

5．中國政府日益重視石墨烯材料的研發(fā)應(yīng)用。在石墨烯領(lǐng)域，中國與發(fā)達(dá)國家基本同處起跑階段。國家科技重大專項(xiàng)、國家973計(jì)劃圍繞“石墨烯宏量可控制備”、“石墨烯基電路制造設(shè)備、工藝和材料創(chuàng)新”等方向部署了一批重大項(xiàng)目，取得了一批創(chuàng)新成果，國際影響力逐步提升。國家自然科學(xué)基金委也投入不菲，2007－2012年石墨烯研究累計(jì)資助經(jīng)費(fèi)達(dá)3.3億元。2012年，工業(yè)和信息化部把石墨烯列入《新材料產(chǎn)業(yè)“十二五”發(fā)展規(guī)劃》。地方政府對石墨烯產(chǎn)業(yè)的興趣也日益升溫，寧波、常州、無錫、青島、重慶等地紛紛設(shè)立石墨烯產(chǎn)業(yè)園區(qū)。中國石墨烯產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟于2013年成立，旨在推動石墨烯產(chǎn)業(yè)化。

三、石墨烯專利迅速增長，我國需選擇重點(diǎn)進(jìn)行突破

1．全球石墨烯專利申請日趨活躍。專利分析結(jié)果表明，全球石墨烯專利申請量自2009年開始迅猛增長，表明石墨烯領(lǐng)域的技術(shù)競爭更加激烈。目前，中國、美國、韓國的石墨烯專利申請量居世界前三，中國占全世界的三分之一之多。但是，中國在國外布局的石墨烯專利寥寥無幾。值得注意的是，歐洲作為石墨烯的誕生地，十分注重在石墨烯領(lǐng)域提前進(jìn)行研發(fā)布局，卻沒有積極申請專利。即便如此，美國德州儀器公司的石墨烯專家路易吉·科倫坡仍認(rèn)為，歐盟仍是當(dāng)今全球的石墨烯研發(fā)中心。

2．中國可以以四項(xiàng)研發(fā)重點(diǎn)為突破口。參考諾沃肖羅夫的《石墨烯路線圖》，將石墨烯制備包括在內(nèi)，石墨烯技術(shù)及應(yīng)用可分為復(fù)合材料、燃料電池、導(dǎo)電薄膜、探測器和傳感器、晶體管、鋰離子電池、生物醫(yī)藥和石墨烯制備八大類。通過對全球石墨烯專利進(jìn)行研究，從現(xiàn)有技術(shù)實(shí)力和需求迫切程度綜合考量，中國應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注以下四類研究。

（1）石墨烯制備。如果沒有實(shí)現(xiàn)石墨烯量產(chǎn)的技術(shù)，那么所有應(yīng)用前景都將成為空談。目前我國在制備上專利申請數(shù)量最多的是電子科技大學(xué)和西安電子科技大學(xué)。

（2）石墨烯復(fù)合材料。我國在復(fù)合材料方面的專利占所有石墨烯專利的一半以上。全球石墨烯復(fù)合材料專利方面較占優(yōu)勢的專利權(quán)人都來自中國，包括浙江大學(xué)、清華大學(xué)、海洋王照明科技股份有限公司、上海交通大學(xué)和鴻海集團(tuán)，這說明中國在石墨烯復(fù)合材料領(lǐng)域具有競爭優(yōu)勢，又因?yàn)閺?fù)合材料的研發(fā)有助于傳感器、超級電容器等石墨烯其他應(yīng)用的實(shí)現(xiàn)。

（3）導(dǎo)電薄膜。石墨烯良好的電導(dǎo)性能和透光性能，使它在透明電導(dǎo)電極方面有非常好的應(yīng)用前景。在用于顯示器和觸摸屏的導(dǎo)電薄膜領(lǐng)域里，除去韓國三星集團(tuán)和成均館大學(xué)，專利數(shù)量最多的是電子科技大學(xué)。同時，我國常州二維碳素科技有限公司于2013年已正式投產(chǎn)國內(nèi)首條年產(chǎn)3萬平方米的石墨烯薄膜生產(chǎn)線。

（4）鋰離子電池。在這一領(lǐng)域，中國的海洋王照明科技股份有限公司具有明顯的競爭優(yōu)勢。鋰離子電池是現(xiàn)階段電動汽車車用電池的一個大方向，受到世界各大廠商競相追捧。同時，中國近年來大氣污染嚴(yán)重，污染治理刻不容緩。而治污措施之一就是使用電動汽車替代傳統(tǒng)燃料車。因此，也要優(yōu)先發(fā)展石墨烯在鋰離子電池等能量存儲領(lǐng)域的應(yīng)用。

3．中國科研成果商業(yè)化頑疾亟需破除。雖然從專利申請總量來看，中國優(yōu)勢明顯，但是通過對專利數(shù)據(jù)進(jìn)行深度挖掘發(fā)現(xiàn)，中國面臨的科研成果轉(zhuǎn)化率低、企業(yè)參與度低等頑疾在石墨烯領(lǐng)域依然存在。比如，中國大學(xué)和企業(yè)的專利申請比例是75.7%和19.4%，而韓國的這一比例卻是33.2%和52.7%。就大學(xué)和企業(yè)的合作比例來講，中國的這一指標(biāo)值為0.8%，而韓國高達(dá)12%。在中國石墨烯申請量排名前十的機(jī)構(gòu)中，大學(xué)占到了八席，并且除了清華大學(xué)與鴻海集團(tuán)進(jìn)行合作之外，其他大學(xué)基本上都是單獨(dú)申請專利。因此，我國應(yīng)大力促進(jìn)產(chǎn)學(xué)研合作，盡快出臺政策以促進(jìn)石墨烯研發(fā)及商業(yè)化進(jìn)程。

（作者：鄭佳，中國科學(xué)技術(shù)信息研究所戰(zhàn)略研究中心副研究員。）