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(lái)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(jiǎng)，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(jiàn)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(gè)碳原子厚度時(shí)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(lái)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(chǔ)、傳感、生物醫(yī)學(xué)等諸多應(yīng)用領(lǐng)域。科學(xué)家預(yù)計(jì)，首個(gè)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(chǔ)能和傳感器、超級(jí)電容器，甚至更富想象力的太空電梯，越來(lái)越多基于石墨烯材料的未來(lái)設(shè)備進(jìn)入科學(xué)家的研究視野。

石墨烯縱有萬(wàn)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(lái)市場(chǎng)應(yīng)用空間極大，一旦量產(chǎn)必將成為萬(wàn)億級(jí)產(chǎn)業(yè)。目前，石墨烯原材料石墨的市場(chǎng)售價(jià)約3000元/噸，而提煉成石墨烯后，石墨烯市場(chǎng)價(jià)高達(dá)100萬(wàn)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(lái)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)模化生產(chǎn)能力。從材料應(yīng)用來(lái)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(méi)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(shí)間。

二、各國(guó)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(shí)日，研究和創(chuàng)新是法寶。特別是自英國(guó)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(jiǎng)后，主要發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)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(zhǎng)期以來(lái)一直通過(guò)歐盟框架計(jì)劃支持石墨烯研究，并先后啟動(dòng)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(huì)于2013年1月選定的“未來(lái)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(jìng)爭(zhēng)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(huì)，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)，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(gè)價(jià)值鏈。

2．英國(guó)欲成為世界領(lǐng)先的石墨烯研發(fā)中心。石墨烯是英國(guó)國(guó)家創(chuàng)新戰(zhàn)略確定的重要新興技術(shù)之一。2011年，英國(guó)政府宣布投入5000萬(wàn)英鎊支持石墨烯研究，包括建立總投資達(dá)6100萬(wàn)英鎊的國(guó)家石墨烯研究院。英國(guó)不僅要“發(fā)現(xiàn)在英國(guó)”，而且還要“制造在英國(guó)”。2012年，英國(guó)政府追加2150萬(wàn)英鎊資助石墨烯商業(yè)化探索研究。2014年9月，英國(guó)又宣布公私合作投資6000萬(wàn)英鎊成立石墨烯工程創(chuàng)新中心，作為國(guó)家石墨烯研究院的補(bǔ)充，將加速石墨烯應(yīng)用研究和開(kāi)發(fā)。這兩大科研投資項(xiàng)目凸顯了英國(guó)致力于石墨烯研發(fā)及商業(yè)化的決心和力度。

3．韓國(guó)產(chǎn)學(xué)研合作促進(jìn)石墨烯商業(yè)化。原韓國(guó)知識(shí)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(guó)產(chǎn)業(yè)通商資源部宣布，將整合韓國(guó)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(lái)6年投入4230萬(wàn)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(chǎng)，形成25家全球領(lǐng)先企業(yè)。

4．美國(guó)通過(guò)國(guó)家自然科學(xué)基金等機(jī)構(gòu)持續(xù)支持。2006－2011年間，美國(guó)國(guó)家自然科學(xué)基金會(huì)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(jí)電容材料、石墨烯材料連續(xù)大規(guī)模納米制造等。美國(guó)國(guó)防部先進(jìn)研究項(xiàng)目局還于2008年啟動(dòng)了碳原子射頻應(yīng)用項(xiàng)目，總投入2200萬(wàn)美元，開(kāi)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(guó)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(lái)可用石墨烯圓片來(lái)替代硅晶片。

5．中國(guó)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(guó)與發(fā)達(dá)國(guó)家基本同處起跑階段。國(guó)家科技重大專項(xiàng)、國(guó)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(guó)際影響力逐步提升。國(guó)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(duì)石墨烯產(chǎn)業(yè)的興趣也日益升溫，寧波、常州、無(wú)錫、青島、重慶等地紛紛設(shè)立石墨烯產(chǎn)業(yè)園區(qū)。中國(guó)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(dòng)石墨烯產(chǎn)業(yè)化。

三、石墨烯專利迅速增長(zhǎng)，我國(guó)需選擇重點(diǎn)進(jìn)行突破

1．全球石墨烯專利申請(qǐng)日趨活躍。專利分析結(jié)果表明，全球石墨烯專利申請(qǐng)量自2009年開(kāi)始迅猛增長(zhǎng)，表明石墨烯領(lǐng)域的技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)更加激烈。目前，中國(guó)、美國(guó)、韓國(guó)的石墨烯專利申請(qǐng)量居世界前三，中國(guó)占全世界的三分之一之多。但是，中國(guó)在國(guó)外布局的石墨烯專利寥寥無(wú)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(méi)有積極申請(qǐng)專利。即便如此，美國(guó)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(guó)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(cè)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(guò)對(duì)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(guó)應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注以下四類研究。

（1）石墨烯制備。如果沒(méi)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(guó)在制備上專利申請(qǐng)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(guó)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(shì)的專利權(quán)人都來(lái)自中國(guó)，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(shuō)明中國(guó)在石墨烯復(fù)合材料領(lǐng)域具有競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，又因?yàn)閺?fù)合材料的研發(fā)有助于傳感器、超級(jí)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(guó)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(shí)，我國(guó)常州二維碳素科技有限公司于2013年已正式投產(chǎn)國(guó)內(nèi)首條年產(chǎn)3萬(wàn)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(guó)的海洋王照明科技股份有限公司具有明顯的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。鋰離子電池是現(xiàn)階段電動(dòng)汽車車用電池的一個(gè)大方向，受到世界各大廠商競(jìng)相追捧。同時(shí)，中國(guó)近年來(lái)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(dòng)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(chǔ)領(lǐng)域的應(yīng)用。

3．中國(guó)科研成果商業(yè)化頑疾亟需破除。雖然從專利申請(qǐng)總量來(lái)看，中國(guó)優(yōu)勢(shì)明顯，但是通過(guò)對(duì)專利數(shù)據(jù)進(jìn)行深度挖掘發(fā)現(xiàn)，中國(guó)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(guó)大學(xué)和企業(yè)的專利申請(qǐng)比例是75.7%和19.4%，而韓國(guó)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(lái)講，中國(guó)的這一指標(biāo)值為0.8%，而韓國(guó)高達(dá)12%。在中國(guó)石墨烯申請(qǐng)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(qǐng)專利。因此，我國(guó)應(yīng)大力促進(jìn)產(chǎn)學(xué)研合作，盡快出臺(tái)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(guó)科學(xué)技術(shù)信息研究所戰(zhàn)略研究中心副研究員。）