從石墨烯新材料實踐談高科技產(chǎn)業(yè)發(fā)展之路

文/劉忠范

我是做石墨烯研究的。早年主要從事石墨烯新材料的基礎研究，后來開始關(guān)注實用技術(shù)研發(fā)，現(xiàn)在更進一步關(guān)注如何實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化落地。十幾年來，我以石墨烯材料為抓手，做了很多基礎研究、技術(shù)研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化工作。希望跟大家分享一下我對高科技產(chǎn)業(yè)發(fā)展的體會和認識。

石墨烯：潛力巨大的“新材料之王”

石墨烯是一種新材料，號稱“新材料之王”。它是最薄的材料，只有一個原子層那么厚；也是強度最大的材料，理論上比鋼強百倍；還是導電性、導熱性最好的材料。石墨烯是純碳材料，100%由碳原子構(gòu)成。所以跟現(xiàn)在特別時髦的“低碳”概念不同，它是“高碳”材料。當然，相信這種“高碳”石墨烯材料能夠為“低碳經(jīng)濟”做貢獻。

石墨礦屬于天然的石墨。石墨是一種層狀材料，層與層之間的結(jié)合力很弱，用膠帶輕輕一撕就可以撕下來很多層。如果你有足夠的耐心反復對折撕，最后可以撕出一個原子層厚度的石墨片，這就是石墨烯。早期的石墨烯實驗研究就是用這種笨辦法撕出來的，所以大家常常開玩笑地講，石墨烯這個諾貝爾獎是透明膠帶撕出來的。

安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫是石墨烯研究的先驅(qū)，他們非常有耐心，真的是用普通膠帶一層一層地撕出來了石墨烯，并且首次測量了這種單層石墨片的性質(zhì)，論文發(fā)表在2004年10月22日的《科學》期刊上。這應該是石墨烯領(lǐng)域的第一篇熱點文章，6年后兩位先驅(qū)斬獲諾貝爾物理學獎。這里我要強調(diào)的是，從零到一的原創(chuàng)性基礎研究突破常常是“無心栽柳”的結(jié)果，源于科學家們強烈的好奇心和求知欲，很難進行規(guī)劃和重點攻關(guān)?；A研究不是簡單地規(guī)劃和用錢砸出來的。沒錢不行，光有錢也不行，基礎研究有其自己的規(guī)律。

石墨烯作為一種神奇的新材料，擁有極為廣闊的應用前景?？梢韵胂蟮膽脠鼍昂芏啵M管大部分尚處于研發(fā)階段，比如電子信息、能源、功能材料、生物醫(yī)藥、節(jié)能環(huán)保、航空航天以及國防軍工領(lǐng)域等。舉幾個大家在廣告中常?？吹降睦?。第一個是石墨烯電池，嚴格意義上講，應叫作石墨烯改性鋰離子電池。原理上講，石墨烯用作鋰離子電池正極材料的導電添加劑，比當前主流炭黑導電劑擁有更大的優(yōu)勢。鋰離子電池正極材料導電性差，需添加大量的非活性、輕組分導電劑，導致能量密度降低。高性能石墨烯導電添加劑可顯著降低用量，從而提升能量密度并實現(xiàn)快速充電。石墨烯的高導熱性也有助于快速充放電時的散熱，提高電池的安全性和穩(wěn)定性。需要指出的是，單節(jié)電池的快充和整車快充不可同日而語，更須考慮充電槍和充電樁的功率限制。因此，部分商家所謂的“充電八分鐘，能跑一千公里”的說法僅僅是營銷噱頭。

石墨烯涂料是人們關(guān)注最多的另一個話題。超薄石墨烯微片比傳統(tǒng)玻璃鱗片（3—5微米厚）提供更好的物理屏蔽，延緩腐蝕介質(zhì)的滲透。研究表明，絕緣性的氧化石墨烯或石墨烯衍生物添加量達到0.5%左右，氯離子的滲透即可降低一半，效果顯著。在含有金屬鋅的重防腐涂料中加入0.3%左右的粉體石墨烯，鋅的利用效率會更高，從而顯著降低鋅粉用量，降低成本。需要指出的是，比金屬更穩(wěn)定的高導電性石墨烯會加劇金屬的電化學腐蝕，而石墨烯提供的物理屏蔽效應僅能滿足短期防腐需求。因此，不能過度夸大石墨烯涂料的神奇效應。統(tǒng)計資料顯示，2017年全球防腐涂料市場規(guī)模約250億美元，其中石墨烯涂料市場規(guī)模約8億美元。目前中國從事石墨烯涂料業(yè)務的企業(yè)約700家，主要分布在江蘇省和廣東省。

石墨烯在熱管理和大健康領(lǐng)域承載著人們巨大的期望，也是目前最活躍的應用市場。石墨烯是理想的遠紅外輻射材料，也是導電性和導熱性最好的材料。從發(fā)射頻譜上看，石墨烯遠紅外線頻譜與人體發(fā)射的遠紅外線頻譜高度重疊，這也是所謂石墨烯發(fā)射“生命光波”的由來。利用石墨烯材料制造的電熱轉(zhuǎn)換設備，具有電熱響應快、驅(qū)動電壓低、發(fā)射率高以及電熱轉(zhuǎn)換效率高等優(yōu)點。國內(nèi)市場推出很多此類石墨烯電熱產(chǎn)品，電暖畫、電熱服裝、電熱毯、加熱眼罩、紅外理療房、地暖墻暖、護頸護腰等，都是這方面的例子。

回顧一下石墨烯的發(fā)展歷史。從2004年年末至今，石墨烯已經(jīng)走過了將近17年的歷史。其中有幾個非常重要的事件和時間節(jié)點。2010年10月5日，石墨烯研究的兩位先驅(qū)獲得諾貝爾物理學獎，進一步推高了石墨烯的熱度。2013年，歐盟啟動為期十年的“石墨烯旗艦計劃”，每年投資1億歐元，推動石墨烯材料走出實驗室，打造新興石墨烯產(chǎn)業(yè)。2014年，國家發(fā)展和改革委員會、工業(yè)和信息化部等部門發(fā)布《關(guān)鍵材料更新?lián)Q代實施方案》，石墨烯位列其中。同年，首家以石墨烯為主營業(yè)務的公司“第六元素”登陸新三板。2015年3月，兩位諾貝爾獎得主的東家英國曼徹斯特大學成立國家石墨烯研究院（NGI），同年10月23日習近平主席參訪NGI，繼而引發(fā)了國內(nèi)延續(xù)至今的“石墨烯熱”。2018年10月25日，北京市成立北京石墨烯研究院（BGI），全力推進北京的石墨烯新材料研發(fā)工作，我擔任首任院長。同年，華為發(fā)布采用石墨烯散熱技術(shù)的Mate 20X手機。2018年12月10日，英國曼徹斯特大學成立“石墨烯工程創(chuàng)新中心”（NEIC），致力于基礎研究和工程化齊頭并進，搶占石墨烯新材料產(chǎn)業(yè)的先機。

在我國，石墨烯已成為家喻戶曉、婦孺皆知的存在。2010年成為諾貝爾獎級的新材料之后，中國就掀起了“石墨烯熱”，互聯(lián)網(wǎng)上的石墨烯產(chǎn)品廣告可謂是鋪天蓋地，石墨烯相關(guān)企業(yè)如雨后春筍般冒了出來。截至2020年年底，國內(nèi)號稱從事石墨烯業(yè)務的企業(yè)超過2萬家。這個數(shù)字可以說是全世界最龐大的，估計比其他國家的總和還要多。據(jù)不完全統(tǒng)計，目前中國擁有石墨烯產(chǎn)業(yè)園30個、石墨烯研究院54家、石墨烯產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新中心8個。全國20多個省份的“十三五”規(guī)劃中，都有石墨烯板塊的產(chǎn)業(yè)布局，并出臺了一系列支持政策。2016年，北京市啟動石墨烯科技專項，致力于把研發(fā)資源優(yōu)勢轉(zhuǎn)化為石墨烯產(chǎn)業(yè)發(fā)展優(yōu)勢。許多上市公司密切關(guān)注石墨烯產(chǎn)業(yè)發(fā)展，據(jù)不完全統(tǒng)計，目前有60多家上市公司涉及石墨烯業(yè)務，涵蓋了石墨烯產(chǎn)業(yè)鏈條的各個環(huán)節(jié)，其中以新能源相關(guān)企業(yè)居多。在基礎研究方面，2011年開始，我國學者發(fā)表的石墨烯相關(guān)學術(shù)論文就已領(lǐng)跑全球，占比達到34%。在石墨烯相關(guān)專利申請方面，中國更是遙遙領(lǐng)先，全球占比達到68%?？梢钥隙ǖ氖?，從統(tǒng)計數(shù)字上看，中國的石墨烯行業(yè)是居國際領(lǐng)先地位的。

石墨烯產(chǎn)業(yè)：制備決定未來

那么，石墨烯產(chǎn)業(yè)究竟處于什么發(fā)展階段呢？我們用高德納技術(shù)成熟度曲線來對標一下石墨烯材料。與其他新材料和新技術(shù)一樣，石墨烯材料從實驗室走向產(chǎn)業(yè)化也需要經(jīng)歷五個階段：技術(shù)萌芽期、期望頂峰期、泡沫谷底期、爬坡期、穩(wěn)定應用期。對石墨烯來說，2004年年底算是技術(shù)萌芽期，隨后迅速得到人們的廣泛關(guān)注，期望值越來越高，幾乎成了無所不能的超級材料。2015年、2016年左右是炒作的高峰期，那時候石墨烯仿佛無所不能。但是現(xiàn)在大家漸趨冷靜，過了炒作高峰。實際上，實驗室里的材料和技術(shù)絕大部分很難走到最后，大部分中途夭折。政府決策部門，要有耐心，對新材料產(chǎn)業(yè)尤其要有耐心。對于石墨烯新材料來說，畢竟才17年的歷史，未來的路還很長。

劉忠范，北京石墨烯研究院院長，北京大學博雅講席教授，中國科學院院士，發(fā)展中國家科學院院士，首批教育部長江學者獎勵計劃特聘教授，首批國家杰出青年科學基金獲得者。

我一直強調(diào)，對于石墨烯產(chǎn)業(yè)來說，制備決定未來。材料是產(chǎn)業(yè)的基石，如果沒有規(guī)?；苽浼夹g(shù)的突破，就不可能有石墨烯產(chǎn)業(yè)。同樣，如果沒有扎實的制備科學基礎研究，就會失去核心競爭力，所以也不能著急。還需要強調(diào)的是，缺乏針對性的基礎研究也很難帶來制備上的真正突破。如果我只是在北京大學實驗室里帶領(lǐng)學生做基礎研究，盡管可以發(fā)一大堆論文，申請無數(shù)的專利，但是很難對石墨烯材料的產(chǎn)業(yè)化落地有幫助，這是我現(xiàn)在的切身體會。尤其需要指出的是，石墨烯材料的質(zhì)量提升是一個循序漸進的過程，需要不懈的努力和耐心。石墨烯材料的產(chǎn)業(yè)化不可能一蹴而就，盡管并非把材料做到盡善盡美才能形成產(chǎn)業(yè)，這是一個發(fā)展過程，沒有例外。

我經(jīng)常開玩笑地把石墨烯分成兩大類：男石墨烯和女石墨烯。男石墨烯對應于石墨烯粉體材料，屬于傻大黑粗型的材料；女石墨烯對應于石墨烯薄膜材料，屬于白富美和高大上型的材料。當然，這只是玩笑而已，不能當真。兩種石墨烯材料的制備方法不同，用途也完全不同，不可同日而語。

現(xiàn)在離產(chǎn)業(yè)化比較近的、國內(nèi)研究比較多的是粉體石墨烯材料。粉體石墨烯材料的制備現(xiàn)狀是什么樣呢？2018年，新加坡國立大學的研究人員發(fā)表了一篇文章，認真檢測了來自全球60家企業(yè)的粉體樣品，發(fā)現(xiàn)大部分材料的石墨烯含量低于10%，也就是其中有90%不是石墨烯。而且，作為純碳材料的石墨烯，碳含量竟然不足60%?？梢韵胂?，這樣的材料怎么可能肩負起石墨烯產(chǎn)業(yè)的未來？我們必須在材料上狠下功夫。還是那句話，制備決定未來。

高溫爐子里燒制出來的薄膜材料也是一樣。2018年，我們寫了一篇60多頁的綜述文章，總結(jié)了團隊十年來的石墨烯薄膜生長工作。實際上，對于石墨烯薄膜而言，理想和現(xiàn)實之間存在巨大的鴻溝。理想的石墨烯薄膜是完美的二維單晶材料，而現(xiàn)實的石墨烯薄膜是由單晶碎片堆積起來的富含缺陷的多晶薄膜，就像一件縫補起來的破衣服。道理上也不難理解，石墨烯薄膜的高溫生長過程非常復雜，涉及諸多基元反應步驟。真正完美的石墨烯生長，必須設計和控制好每一步，現(xiàn)實中是很難做到的。其實做大不難，提高產(chǎn)量并不難，但是做好很難，這就是現(xiàn)狀。

致力打造一個千億級石墨烯產(chǎn)業(yè)帝國

我的團隊可謂是“十年磨一劍”。我們從2008年開始進入石墨烯領(lǐng)域，至今已經(jīng)13年了。早年我本人研究的是石墨烯的姊妹篇——碳納米管，二者的制備方法、性能檢測方法非常類似，基礎是相通的。這樣算起來，我已經(jīng)從事20多年的石墨烯相關(guān)研究了。進入石墨烯領(lǐng)域之初，主要關(guān)注基礎研究，用化學氣相沉積方法生長石墨烯薄膜，研究其好玩的性質(zhì)，探索其可能的應用。后來下決心做點真正有用的東西，發(fā)展石墨烯薄膜材料的規(guī)?；苽浼夹g(shù)，這是石墨烯產(chǎn)業(yè)的基石。從實驗室樣品到規(guī)?；a(chǎn)品，是一個重要的跨越，成立了北京石墨烯研究院。有了更大的平臺和更大的舞臺，可以做實驗室所不能做的事情。

北京石墨烯研究院（BGI）是由北京市政府和社會資本共同出資、北京大學牽頭建設的新型研發(fā)機構(gòu)，2018年10月25日正式揭牌。研究院落地中關(guān)村北區(qū)翠湖科技園，一期研發(fā)大樓2萬平方米，注冊資本3.226億元，十年規(guī)劃總投資20億元，現(xiàn)在人員規(guī)模已經(jīng)達到240人。研究院的定位是石墨烯產(chǎn)業(yè)核心技術(shù)策源地、高端石墨烯材料生產(chǎn)和裝備研發(fā)基地、面向全球企業(yè)的“研發(fā)代工”平臺、高科技人才匯聚地和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)基地，以及政產(chǎn)學研協(xié)同創(chuàng)新機制探索基地和新型研發(fā)機構(gòu)示范區(qū)。研究院重點關(guān)注三大業(yè)務板塊：石墨烯材料規(guī)?；苽浼夹g(shù)和裝備研發(fā)，面向未來石墨烯產(chǎn)業(yè)的核心技術(shù)研發(fā)，以及面向當前市場的企業(yè)研發(fā)代工。

體制機制創(chuàng)新是研究院走向成功的重要保障，我們用“雞蛋模型”來描述總體發(fā)展戰(zhàn)略?！暗包S”代表研究院的核心技術(shù)研發(fā)團隊，規(guī)模約200人，重點發(fā)展石墨烯材料的規(guī)?；苽浼夹g(shù)、裝備以及“殺手锏級”的應用技術(shù)，確保在未來石墨烯產(chǎn)業(yè)競爭中的核心競爭力。“蛋清”代表若干個“研發(fā)代工中心”，針對企業(yè)的特定需求，研究院成立專門的研發(fā)團隊，開展“一對一”的研發(fā)代工服務。一方面解決企業(yè)研發(fā)能力不足的問題，同時為研究院的可持續(xù)發(fā)展提供市場支撐。另一方面，研究院為企業(yè)打工做研發(fā)，而企業(yè)則為研究院打工做市場，優(yōu)勢互補、互利共贏。最外層的“蛋殼”代表應用市場，研究院絕不停留在基礎研究和技術(shù)研發(fā)層面，而是全力以赴推進技術(shù)的市場化落地。我們的戰(zhàn)略目標是，孵化一個以石墨烯材料研發(fā)、生產(chǎn)和銷售為主體的石墨烯高科技企業(yè)，向全球提供最具競爭力的石墨烯材料及其制造裝備和相關(guān)檢測設備，打造一個千億級的石墨烯產(chǎn)業(yè)。

過去三年來，我們已經(jīng)實現(xiàn)了不少規(guī)?；彤a(chǎn)業(yè)化的明星產(chǎn)品。比如，第一個是領(lǐng)跑世界的A3尺寸石墨烯薄膜，年產(chǎn)1萬平方米。每張A3尺寸的石墨烯薄膜售價2萬元，還很貴。第二個是單晶石墨烯晶圓，4英寸晶圓年產(chǎn)10000片，6英寸晶圓年產(chǎn)12000片，每片售價3000美元以上。第三個是超潔凈石墨烯薄膜，目前只有我們能夠生產(chǎn)這種最高質(zhì)量的石墨烯薄膜。石墨烯在高溫爐子里“長”出來的時候非常臟，我們率先實現(xiàn)了超潔凈生長。這種超潔凈石墨烯的性能接近理論極限，代表著石墨烯薄膜制備的最高水平。第四個是超級石墨烯玻璃，我們自己發(fā)明的技術(shù)，年產(chǎn)5000平方米。我要強調(diào)的是，這些石墨烯材料的生產(chǎn)裝備都是我們自己研制的，BGI擁有自己的石墨烯裝備研發(fā)中心，已經(jīng)研制出一系列新型石墨烯生長裝備。

北京石墨烯研究院的優(yōu)勢在于，我們擁有三大協(xié)同創(chuàng)新團隊：基礎研究團隊依托北京大學高水平的研究生和博士后隊伍，還有專業(yè)的工藝研發(fā)團隊和裝備制造團隊。三個團隊協(xié)同作戰(zhàn)，缺一不可，快速推進著石墨烯材料的規(guī)模化生產(chǎn)工作。顯而易見，單純在北京大學做基礎研究，沒有后兩個團隊很難實現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)；而只有后兩個團隊，沒有強大的基礎研究支撐，也很難有競爭力。對于石墨烯新材料來說，規(guī)模化是一個重大的跨越，也是推進材料產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵。現(xiàn)實情況是，大部分的人都是在實驗室里做研究，做出來的是石墨烯樣品，談不上是石墨烯材料。做材料規(guī)?；苽涞膱F隊很少，相比做樣品來說難得多。我的實踐體會是，在石墨烯材料研發(fā)方面，基礎決定實力，工藝決定質(zhì)量，裝備決定勝負。基礎研究至關(guān)重要，沒有扎實的基礎研究做支撐，就沒有實力和競爭力。2021年9月，國家自然科學基金“石墨烯制備科學”基礎科學中心正式獲批成立，依托北京大學和北京石墨烯研究院。這是石墨烯領(lǐng)域的第一家基礎科學中心，是對我們過去十幾年來工作的認可，也是我們繼續(xù)前行的信心和基礎。只停留在基礎研究階段，沒有規(guī)模化制備工藝的研發(fā)，就不可能生產(chǎn)出高質(zhì)量的石墨烯材料。與此同時，自己做裝備非常重要，裝備是工藝的“固化”，先進的制備工藝需要新的裝備來實現(xiàn)。當然，自行研發(fā)裝備也是保護自主知識產(chǎn)權(quán)的重要舉措。

北京石墨烯研究院可提供定制化轉(zhuǎn)移服務，在保證石墨烯優(yōu)異性能的條件下，將CVD石墨烯薄膜定向轉(zhuǎn)移至PET、硅、二氧化硅、Nafion等基底上，賦予基底材料導電導熱等特殊性能

實現(xiàn)從研究思維到工程和產(chǎn)業(yè)思維的跨越

我的另一個體會是，從基礎研究走向產(chǎn)業(yè)化時，必須轉(zhuǎn)變思維方式，實現(xiàn)從研究思維到工程思維和產(chǎn)業(yè)思維的跨越。這一點極為重要。研究思維是好奇心驅(qū)動，是發(fā)散性的思維方式。新奇特很重要，創(chuàng)新性來源于此，這是科學家的思維模式；工程思維是聚焦一個特定的東西，造出一個具體的東西來，比如一座橋梁，不能滿足于搞花樣，這是工程師的思維方式；產(chǎn)業(yè)思維是必須考慮市場因素，考慮成本、價格和可競爭性。實際上，并非最好的技術(shù)和最好的材料才能進入市場、占領(lǐng)市場。對于石墨烯新材料來說，光有研究思維肯定不行，要有工程思維，還要有產(chǎn)業(yè)思維，三者有效結(jié)合才能真正推動產(chǎn)業(yè)發(fā)展。我認為，產(chǎn)學研協(xié)同創(chuàng)新的關(guān)鍵是讓科學家、工程師和企業(yè)家有一個公共平臺、共同的抓手和利益共享機制，三者缺一不可。

現(xiàn)在大家經(jīng)常講的科技與經(jīng)濟“兩張皮”的問題，實際上就是產(chǎn)學研協(xié)同創(chuàng)新機制還沒有理順，還有很大的提升空間。目前存在兩種截然不同的產(chǎn)學研協(xié)同創(chuàng)新模式：一個是單一主體內(nèi)的協(xié)同創(chuàng)新模式；另一個是多個主體之間的協(xié)同創(chuàng)新模式。像華為這樣的大型高科技企業(yè)就是典型的單一主體協(xié)同創(chuàng)新模式，他們自己擁有科學家團隊、工程師團隊以及市場運作團隊，在一個統(tǒng)一的目標和利益鏈上協(xié)同創(chuàng)新。而多主體的協(xié)同創(chuàng)新模式涉及大學、科研院所、新型研發(fā)機構(gòu)或創(chuàng)新中心以及企業(yè)等獨立實體，希望在共同的目標牽引下，步調(diào)一致地協(xié)同創(chuàng)新。兩種模式哪一種更高效其實一目了然，前者就像一臺高速運轉(zhuǎn)的機器，而后者則像多臺同步運轉(zhuǎn)的機器群，難度完全不同。在當前情況下，我們更多地重視多主體的協(xié)同創(chuàng)新模式，讓一大堆機器順暢地協(xié)同運轉(zhuǎn)，選擇的是一條難度極大的路徑，值得深思。我認為，應該更多地推進單一主體的協(xié)同創(chuàng)新模式，讓千千萬萬個具有內(nèi)部協(xié)同創(chuàng)新能力的企業(yè)成長起來，這才是解決產(chǎn)學研協(xié)同創(chuàng)新難題的根本之道。大家的共識是，工程化研發(fā)是基礎研究成果走向產(chǎn)業(yè)落地的必經(jīng)之路，也是當前我國產(chǎn)學研協(xié)同創(chuàng)新鏈條的薄弱環(huán)節(jié)，而企業(yè)才是一切基礎研究和技術(shù)研發(fā)成果轉(zhuǎn)化落地的關(guān)鍵所在。沒有企業(yè)機制，沒有企業(yè)家的擔當，“卡脖子”技術(shù)永遠解決不了。我們要像尊重和重視科學家那樣對待企業(yè)家，中國的高科技產(chǎn)業(yè)才能更好地發(fā)展。

發(fā)展石墨烯產(chǎn)業(yè)絕非一朝一夕的事情，需要國家意志和市場意志的有機結(jié)合，需要長期不懈的努力和不屈不撓的堅持，可持續(xù)發(fā)展能力是走向未來的關(guān)鍵所在。

新興石墨烯產(chǎn)業(yè)呼喚全球合作。北京石墨烯研究院愿與全球同道們攜手前進，打造石墨烯產(chǎn)業(yè)的光明未來。（本文根據(jù)2021中關(guān)村論壇全球科技創(chuàng)新高端智庫論壇演講實錄整理而成）