繼2004年英國曼徹斯特大學(xué)Andre Geim 和 Kostya Novoselov 成功從石墨上剝離石墨烯并于2010年獲得諾貝爾物理學(xué)獎，石墨烯用了短短數年的時(shí)間便完成了從登上歷史舞臺到走進(jìn)公眾視線(xiàn)的過(guò)程。學(xué)術(shù)界、產(chǎn)業(yè)界、金融界甚至各國政府都對這種二維蜂窩結構單原子層碳材料寄予厚望。由于其具有最薄、最大比表面積、最硬、最抗拉等諸多史上最強性質(zhì)和高導電導熱、生物兼容性、類(lèi)催化劑能等獨特性質(zhì)，在眾多領(lǐng)域都可以得到應用。

 

　　一、全球石墨烯科技研發(fā)簡(jiǎn)況

 

　　石墨烯概念問(wèn)世之初，學(xué)界對其關(guān)注較少，尚無(wú)人問(wèn)津，有數據統計，2001-2004年期間，石墨烯相關(guān)的學(xué)術(shù)論文，總計發(fā)表不到40篇，主要來(lái)自美國、英國。然而自從2004年石墨烯成功剝離，證實(shí)了二維材料的存在與優(yōu)異性，石墨烯的受關(guān)注度大幅上升，相關(guān)研究也隨之展開(kāi)。僅2007年一年，全世界便有超過(guò)4 000篇學(xué)術(shù)文章發(fā)表。2009年起，石墨烯的研究進(jìn)入了高速推進(jìn)的階段。此時(shí)，中國的石墨烯研究也正式走入正軌，論文發(fā)表數量位居世界前列。2010年石墨烯創(chuàng )新性實(shí)驗獲得諾貝爾物理學(xué)獎更是一個(gè)高效催化劑，使石墨烯材料受到了學(xué)術(shù)界、產(chǎn)業(yè)界的熱捧，使諸多物理、化學(xué)、材料、生物、電子領(lǐng)域研究人員趨之若鶩。目前，國際石墨烯研究熱點(diǎn)集中在前沿物理性能探索及石墨烯器件應用方面，具體終端應用處于探索階段。截至2015年，世界范圍內已有4萬(wàn)余篇石墨烯相關(guān)文獻發(fā)表，其中中國發(fā)表量位居世界第1，超過(guò)總量的1/3。

 

　　根據湯森路透社Derwent創(chuàng )新數據庫和全球專(zhuān)利數據庫Patstat數據顯示，隨著(zhù)石墨烯科研期刊的快速增長(cháng)，過(guò)去10年中，石墨烯專(zhuān)利申請的步伐也隨之加快。專(zhuān)利數量的快速增長(cháng)始于2011年(達到2008年專(zhuān)利申請數量的10倍)，并持續上升。在這爆發(fā)式增長(cháng)的浪潮中，中國占據了半壁江山。正如諾獎得主Andrea Geim所說(shuō)，英美是石墨烯研究方面的先驅及達者，但毫無(wú)疑問(wèn)中國是應用開(kāi)發(fā)方面的先行者，石墨烯商業(yè)化的引領(lǐng)者。

 

　　目前，美國、英國、日本等全球80多個(gè)國家地區開(kāi)展石墨烯材料研發(fā)，近300家公司涉足石墨烯相關(guān)的研究和開(kāi)發(fā)，其中比較有影響力的企業(yè)主要有IBM、英特爾、三星等公司，重點(diǎn)集中在鋰離子電池、通信電子元件、電子芯片、顯示器件，但多以小批量制備為主，尚未有實(shí)現大規模產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)的報道。

 

　　二、我國石墨烯產(chǎn)業(yè)發(fā)展概況

 

　　中國石墨烯及相關(guān)產(chǎn)業(yè)在國家政策的引導，投資項目的助推，企業(yè)轉型的迫切需求的三重動(dòng)力促進(jìn)下發(fā)展迅速。

 

　　“十二五”期間，石墨烯等新材料產(chǎn)業(yè)已被作為重要的戰略新興產(chǎn)業(yè)。我國陸續為石墨烯相關(guān)項目給予政策支持、資金扶助，并通過(guò)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟等組織，助力石墨烯在技術(shù)路線(xiàn)、標準戰略、專(zhuān)利布局、國際合作等方面加速發(fā)展，“十三五”規劃中更是加大對于石墨烯等新材料的政策偏移與投入，各地方政府根據國家總體規劃紛紛出臺各地配套政策與措施，推進(jìn)石墨烯科技研究與產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。目前我國石墨烯的研究依然以各高校和科研院所為主力，包括清華大學(xué)、北京大學(xué)、國家納米中心、中國科學(xué)院金屬研究所、中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“中科院寧波材料所”)、江南石墨烯研究院等，主要研究方向為石墨烯的高效、綠色制備，以及石墨烯在各個(gè)功能領(lǐng)域的應用，眾多研究成果占據了我國絕大部分的石墨烯文章發(fā)表和專(zhuān)利申請數量，為石墨烯未來(lái)的發(fā)展奠定了堅實(shí)的技術(shù)基礎。產(chǎn)業(yè)方面，目前我國已成為世界首屈一指的石墨烯生產(chǎn)大國，現有以寧波墨西科技有限公司、重慶墨?？萍加邢薰?、鴻納(東莞)新材料科技有限公司等知名石墨烯生產(chǎn)廠(chǎng)家為首的大量石墨烯生產(chǎn)企業(yè)浮出水面，根據公開(kāi)報道我國石墨烯產(chǎn)能已達到萬(wàn)噸級。

 

　　資金推動(dòng)方面，以各地方政府的科技經(jīng)費支持為引導，大量社會(huì )資本投入主要支撐石墨烯產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。東旭光電、烯碳新材等眾多上市企業(yè)以及中建材集團、中國石油等老牌央企國企，另有華為等行業(yè)巨頭。諸多方面的資本力量投入在很大程度上刺激了石墨烯行業(yè)的飛速擴張，為石墨烯創(chuàng )業(yè)企業(yè)孵育以及傳統材料企業(yè)轉型提供原動(dòng)力。

 

　　三、北京石墨烯及相關(guān)領(lǐng)域發(fā)展研究

 

　　北京作為全國科技創(chuàng )新中心，擁有豐富科技資源，是全國石墨烯研究綜合實(shí)力最強的地區。北京聚集了諸如清華大學(xué)、北京大學(xué)、中國航空發(fā)動(dòng)機集團公司北京航空材料研究院、國家納米科學(xué)中心、北京理工大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、北京化工大學(xué)、中國航發(fā)北京航空材料研究院等一批進(jìn)行石墨烯研究的科研院所，其院所數量及研究人員數量占全國半數以上。同時(shí)，北京在海淀、懷柔、大興、豐臺等地的創(chuàng )新科技園擁有完整的企業(yè)孵化服務(wù)體系，幫助產(chǎn)業(yè)落地、成果轉化，將實(shí)驗室中的技術(shù)擴大應用，孵育出一批活躍的創(chuàng )業(yè)企業(yè)。

 

　　北京市科委在石墨烯領(lǐng)域也進(jìn)行了長(cháng)期布局，從“十二五”初期起即布局了相關(guān)科技項目，累計投入科技經(jīng)費數千萬(wàn)元，重點(diǎn)支持了石墨烯改性復合材料、石墨烯薄膜材料，以及石墨烯相關(guān)電子器件的研發(fā)。

 

　　科技研發(fā)方面，北京聚集了眾多業(yè)內頂尖優(yōu)秀團隊，包括北京大學(xué)劉忠范院士團隊、中國科學(xué)院化學(xué)研究所劉云圻院士團隊、清華大學(xué)魏飛團隊、北京化工大學(xué)戴黎明團隊等數十個(gè)由各大高校院所院士、教授帶領(lǐng)的團隊，擁有10家石墨烯領(lǐng)域重點(diǎn)實(shí)驗室和工程技術(shù)中心，在低成本高質(zhì)量石墨烯批量制備、石墨烯復合材料、透明導電薄膜及超級電容器制備等領(lǐng)域研發(fā)實(shí)力和技術(shù)水平國內領(lǐng)先，單晶石墨烯薄膜制備、石墨烯玻璃、石墨烯海水淡化膜等技術(shù)國際領(lǐng)先。強大的技術(shù)攻關(guān)能力為北京市石墨烯發(fā)展提供了厚實(shí)的技術(shù)儲備和未來(lái)探索潛能。

 

　　產(chǎn)業(yè)化方面，受京津冀一體化疏解北京非首都功能影響，北京市的一般制造業(yè)逐步外遷，重點(diǎn)發(fā)展“高精尖”產(chǎn)業(yè)。北京現有石墨烯企業(yè)基本為新創(chuàng )企業(yè)，規模不大，但在石墨烯應用方面各有特色優(yōu)勢。例如，北京旭碳新材料科技有限公司是東旭光電旗下全資子公司，主要產(chǎn)品為石墨烯散熱材料、石墨烯鋰離子電池負極材料等應用產(chǎn)品。擁有來(lái)自北京理工大學(xué)的高端技術(shù)團隊作為技術(shù)支撐;北京碳世紀科技有限公司入駐豐臺科技園，主要產(chǎn)品為單層石墨烯粉體、潤滑油添加劑、超級電容等，其在常州已建成噸級石墨烯材料示范線(xiàn)，并且添加劑產(chǎn)品“碳威”已形成規模銷(xiāo)售;入駐懷柔科技產(chǎn)業(yè)園的北京北方國能科技有限公司，專(zhuān)注于石墨烯/碳納米管雜化材料的研制和生產(chǎn)，擁有來(lái)自清華大學(xué)的頂尖科研團隊，已有南車(chē)集團、中國航天科工集團等意向客戶(hù)。此外，北京還有北京豐泰新材料檢測院有限公司(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“豐泰檢測院”)這類(lèi)專(zhuān)司石墨烯標準檢測計量與應用服務(wù)的專(zhuān)業(yè)服務(wù)機構。豐泰檢測院與英國NPL開(kāi)展戰略合作，使用NPL檢測設備及技術(shù)，作為NPL的窗口企業(yè)，正在進(jìn)行檢測與服務(wù)平臺建設。

 

　　國務(wù)院于2016年9月18日印發(fā)《北京加強全國科技創(chuàng )新中心建設總體方案》，明確了北京加強全國科技創(chuàng )新中心建設的總體思路、發(fā)展目標、重點(diǎn)任務(wù)和保障措施。方案指出要重點(diǎn)突破石墨烯材料等一批關(guān)鍵共性技術(shù)，引領(lǐng)支撐首都“高精尖”經(jīng)濟發(fā)展。北京在石墨烯領(lǐng)域將進(jìn)一步聚焦石墨烯技術(shù)創(chuàng )新，發(fā)揮技術(shù)源頭作用，并結合完善的創(chuàng )業(yè)服務(wù)體系及金融資源為石墨烯領(lǐng)域培育重點(diǎn)企業(yè)。

 

　　目前北京市科學(xué)技術(shù)委員會(huì )(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“北京市科委”)在石墨烯領(lǐng)域開(kāi)展了如下舉措：

 

　　一是率先啟動(dòng)北京市石墨烯科技創(chuàng )新專(zhuān)項。北京市石墨烯科技創(chuàng )新專(zhuān)項計劃將撥出專(zhuān)門(mén)經(jīng)費持續支持石墨烯技術(shù)重大原創(chuàng )性突破與高端應用，兼顧基礎前沿與產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng )新并行，力爭在石墨烯材料制備及應用等領(lǐng)域取得重大突破，搶占全球石墨烯科技制高點(diǎn)，形成一批具有自主知識產(chǎn)權的核心技術(shù)。專(zhuān)項啟動(dòng)同時(shí)，北京市科委成立北京市石墨烯科技創(chuàng )新專(zhuān)項專(zhuān)家委員會(huì )。專(zhuān)家委員會(huì )囊括北京大學(xué)劉忠范院士、北京航空材料研究院戴圣龍院長(cháng)、清華大學(xué)魏飛教授、國家納米中心趙宇亮研究員等技術(shù)專(zhuān)家與企業(yè)代表，為北京市未來(lái)10年石墨烯的發(fā)展出謀劃策，并促成北京石墨烯產(chǎn)業(yè)的政產(chǎn)學(xué)研相結合。目前，正在依托專(zhuān)家委員會(huì )，編制產(chǎn)業(yè)技術(shù)路線(xiàn)圖，形成凝聚行業(yè)共識的產(chǎn)業(yè)發(fā)展路線(xiàn)。

 

　　二是籌備建設新型科研機構——北京石墨烯研究院。依照北京市科技創(chuàng )新大會(huì )精神，借鑒北京生命科學(xué)研究所建設模式，北京市科委推動(dòng)籌建北京石墨烯研究院，遴選全球頂尖的領(lǐng)銜科學(xué)家給予持續穩定支持，進(jìn)行用人與評價(jià)機制突破創(chuàng )新，探索培育新型科研機構建設模式，形成與國際接軌、符合國情的科研管理和運行機制。

 

　　四、發(fā)展建議

 

　　科技發(fā)展是第一生產(chǎn)力，石墨烯技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展也應緊扣技術(shù)攻關(guān)。以石墨烯制備技術(shù)為例，石墨烯材料的優(yōu)異性需要完善的制備工藝才可體現。然而目前石墨烯材料的制備技術(shù)尚無(wú)法使石墨烯產(chǎn)品性能達到理想狀態(tài)，且成本過(guò)高，阻礙石墨烯產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)化。故石墨烯材料制備工藝的創(chuàng )新突破至關(guān)重要。石墨烯粉體制備需突破大批量綠色制備工藝，重點(diǎn)攻關(guān)非氧化剝離石墨烯粉體制備技術(shù)。高品質(zhì)單晶石墨烯薄膜的生產(chǎn)技術(shù)目前還處于發(fā)展階段，需重點(diǎn)攻克大面積高品質(zhì)單晶石墨烯薄膜制備工藝及無(wú)損剝離工藝，以適應未來(lái)石墨烯半導體、電子元器件的發(fā)展需求。

 

　　目前國內石墨烯材料在應用中扮演“工業(yè)味精”的角色，應用面廣而不專(zhuān)精。每一種材料肯定有其最適合發(fā)揮作用的領(lǐng)域，一味地追求全面應用既不科學(xué)，也不現實(shí)。針對這一現狀，學(xué)術(shù)界、產(chǎn)業(yè)界應帶頭致力發(fā)掘石墨烯真正的“殺手锏”應用，以應用帶動(dòng)技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展，攻關(guān)真正符合石墨烯產(chǎn)業(yè)發(fā)展的核心共性技術(shù)。目前IBM、三星等國際企業(yè)已布局完成石墨烯CVD制備、大面積薄膜生產(chǎn)，以及半導體方面完成了專(zhuān)利布局，累積了雄厚的技術(shù)經(jīng)驗，為下一代半導體技術(shù)革新及發(fā)展柔性電子器件打下了堅實(shí)的基礎，這是我們可以學(xué)習借鑒的。

 

　　石墨烯產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，除了技術(shù)層面的突破，還需要充分發(fā)揮市場(chǎng)的導向性和政府的引領(lǐng)作用。二者分工協(xié)作，保持共軛并行，積極有效地整合資源、人才、技術(shù)等產(chǎn)業(yè)發(fā)展關(guān)鍵要素。政府應加大政策和資金扶持力度，企業(yè)以及社會(huì )資本應在資金運作及產(chǎn)業(yè)規劃上積極配合政府，從而形成政產(chǎn)學(xué)研相結合的健康發(fā)展道路。

 

　　來(lái)源：北京新材料發(fā)展中心 文/張韡、周航

圖片來(lái)源：找項目網(wǎng)