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冷静看待石墨烯热潮

    发布时间:2015-1-13

导读:   随着石墨烯发明者——来自曼彻斯特大学的安德烈·盖姆和康斯坦丁·诺沃肖罗夫于2010年被授予诺贝尔物理学奖,石墨烯研发热潮迅速席卷全球。

 
一、石墨烯:新世纪的材料宠儿

   人们常见的石墨是一层层以蜂窝状有序排列的碳原子堆叠而形成的。当石墨被剥离到单层、只有一个碳原子厚度时所得到的石墨片就是石墨烯,它看上去就像是一张六边形网格构成的平面。这种独特的二维结构使之具有诸多优异性能。研究发现,石墨烯是目前已知的强度最高的物质,是室温下导电性最好的材料。此外,它还具有较高的载流子迁移率、较高的室温热导率、超大的比表面积、高透明度等特性。
   优异的性能将带来广泛的应用。2012年10月,诺沃肖罗夫与其他科学家在《自然》杂志上发表了题为《石墨烯路线图》的文章,描述了石墨烯在柔性电子(包括触摸屏、电子纸、可折叠OLED等)、光子器件、复合材料、能量存储、传感、生物医学等诸多应用领域。科学家预计,首个石墨烯触摸屏将在三五年内上市,石墨烯电子纸样品到2015年可以研发成功。超轻防弹衣、超薄超轻型飞机、超薄可折叠手机、高强度航空材料、高性能储能和传感器、超级电容器,甚至更富想象力的太空电梯,越来越多基于石墨烯材料的未来设备进入科学家的研究视野。
   石墨烯纵有万般好处,但产业化前路漫漫。有分析认为,石墨烯的未来市场应用空间极大,一旦量产必将成为万亿级产业。目前,石墨烯原材料石墨的市场售价约3000元/吨,而提炼成石墨烯后,石墨烯市场价高达100万元/吨。尽管石墨烯在众多领域拥有光明的应用前景,但实现这些应用的前提是发展大规模、低成本、大面积、结构与性能可调控的制备技术。从制备能力来看,大多数企业及研究机构基本在科研及中试阶段,尚未具备规模化生产能力。从材料应用来看,科研突破也大都局限于实验室阶段,即最大的应用还是科研院校的实验使用,并没有真正形成下游的应用和需求,大规模产业应用还需相当一段时间。

二、各国在石墨烯研发领域纷纷加强战略部署

   石墨烯大规模产业化尚需时日,研究和创新是法宝。特别是自英国曼彻斯特大学两位教授因2004年在石墨烯研究方面的杰出成就而荣获2010年诺贝尔物理学奖后,主要发达国家对石墨烯研发的支持力度进一步加强。
   1.欧盟集全欧洲力量推进石墨烯旗舰项目。欧洲是石墨烯的诞生地,长期以来一直通过欧盟框架计划支持石墨烯研究,并先后启动了“欧洲石墨烯项目”和“石墨烯旗舰项目”。其中,石墨烯旗舰项目入选欧盟委员会于2013年1月选定的“未来新兴技术旗舰项目”,10年投入将达10亿欧元,将石墨烯研究提升至战略高度,也引发了全球石墨烯领域研发竞争的升温。这一项目的使命是帮助石墨烯从实验室走向社会,促进经济增长,并创造新就业。石墨烯旗舰项目将组成产学研联盟,涵盖从材料生产到零件和系统集成的整个价值链。
   2.英国欲成为世界领先的石墨烯研发中心。石墨烯是英国国家创新战略确定的重要新兴技术之一。2011年,英国政府宣布投入5000万英镑支持石墨烯研究,包括建立总投资达6100万英镑的国家石墨烯研究院。英国不仅要“发现在英国”,而且还要“制造在英国”。2012年,英国政府追加2150万英镑资助石墨烯商业化探索研究。2014年9月,英国又宣布公私合作投资6000万英镑成立石墨烯工程创新中心,作为国家石墨烯研究院的补充,将加速石墨烯应用研究和开发。这两大科研投资项目凸显了英国致力于石墨烯研发及商业化的决心和力度。
   3.韩国产学研合作促进石墨烯商业化。原韩国知识经济部曾计划在2012-2018年向石墨烯领域提供2.5亿美元资助,其中1.24亿美元用于石墨烯技术研发,1.26亿美元用于石墨烯商业化应用研究。2013年,韩国产业通商资源部宣布,将整合韩国科研机构与企业力量推进石墨烯商业化发展,41家科研机构与6家企业形成石墨烯联盟,政府将在未来6年投入4230万美元,帮助企业实现石墨烯的应用产品与相关技术商业化,希望以此打造每年约153亿美元的市场,形成25家全球领先企业。
   4.美国通过国家自然科学基金等机构持续支持。2006-2011年间,美国国家自然科学基金会关于石墨烯的资助项目近200项,重点项目包括石墨烯基超级电容材料、石墨烯材料连续大规模纳米制造等。美国国防部先进研究项目局还于2008年启动了碳原子射频应用项目,总投入2200万美元,开发超高速、超低功耗石墨烯基射频电路,即用石墨烯制造计算机芯片和晶体管。2012年,美国IBM公司成功研制出首款由石墨烯圆片制成的集成电路,使石墨烯特殊的电学性能彰显出应用前景,预示着未来可用石墨烯圆片来替代硅晶片。
   5.中国政府日益重视石墨烯材料的研发应用。在石墨烯领域,中国与发达国家基本同处起跑阶段。国家科技重大专项、国家973计划围绕“石墨烯宏量可控制备”、“石墨烯基电路制造设备、工艺和材料创新”等方向部署了一批重大项目,取得了一批创新成果,国际影响力逐步提升。国家自然科学基金委也投入不菲,2007-2012年石墨烯研究累计资助经费达3.3亿元。2012年,工业和信息化部把石墨烯列入《新材料产业“十二五”发展规划》。地方政府对石墨烯产业的兴趣也日益升温,宁波、常州、无锡、青岛、重庆等地纷纷设立石墨烯产业园区。中国石墨烯产业技术创新战略联盟于2013年成立,旨在推动石墨烯产业化。

三、石墨烯专利迅速增长,我国需选择重点进行突破

   1.全球石墨烯专利申请日趋活跃。专利分析结果表明,全球石墨烯专利申请量自2009年开始迅猛增长,表明石墨烯领域的技术竞争更加激烈。目前,中国、美国、韩国的石墨烯专利申请量居世界前三,中国占全世界的三分之一之多。但是,中国在国外布局的石墨烯专利寥寥无几。值得注意的是,欧洲作为石墨烯的诞生地,十分注重在石墨烯领域提前进行研发布局,却没有积极申请专利。即便如此,美国德州仪器公司的石墨烯专家路易吉·科伦坡仍认为,欧盟仍是当今全球的石墨烯研发中心。
   2.中国可以以四项研发重点为突破口。参考诺沃肖罗夫的《石墨烯路线图》,将石墨烯制备包括在内,石墨烯技术及应用可分为复合材料、燃料电池、导电薄膜、探测器和传感器、晶体管、锂离子电池、生物医药和石墨烯制备八大类。通过对全球石墨烯专利进行研究,从现有技术实力和需求迫切程度综合考量,中国应重点关注以下四类研究。
   (1)石墨烯制备。如果没有实现石墨烯量产的技术,那么所有应用前景都将成为空谈。目前我国在制备上专利申请数量最多的是电子科技大学和西安电子科技大学。
   (2)石墨烯复合材料。我国在复合材料方面的专利占所有石墨烯专利的一半以上。全球石墨烯复合材料专利方面较占优势的专利权人都来自中国,包括浙江大学、清华大学、海洋王照明科技股份有限公司、上海交通大学和鸿海集团,这说明中国在石墨烯复合材料领域具有竞争优势,又因为复合材料的研发有助于传感器、超级电容器等石墨烯其他应用的实现。
   (3)导电薄膜。石墨烯良好的电导性能和透光性能,使它在透明电导电极方面有非常好的应用前景。在用于显示器和触摸屏的导电薄膜领域里,除去韩国三星集团和成均馆大学,专利数量最多的是电子科技大学。同时,我国常州二维碳素科技有限公司于2013年已正式投产国内首条年产3万平方米的石墨烯薄膜生产线。
   (4)锂离子电池。在这一领域,中国的海洋王照明科技股份有限公司具有明显的竞争优势。锂离子电池是现阶段电动汽车车用电池的一个大方向,受到世界各大厂商竞相追捧。同时,中国近年来大气污染严重,污染治理刻不容缓。而治污措施之一就是使用电动汽车替代传统燃料车。因此,也要优先发展石墨烯在锂离子电池等能量存储领域的应用。
   3.中国科研成果商业化顽疾亟需破除。虽然从专利申请总量来看,中国优势明显,但是通过对专利数据进行深度挖掘发现,中国面临的科研成果转化率低、企业参与度低等顽疾在石墨烯领域依然存在。比如,中国大学和企业的专利申请比例是75.7%和19.4%,而韩国的这一比例却是33.2%和52.7%。就大学和企业的合作比例来讲,中国的这一指标值为0.8%,而韩国高达12%。在中国石墨烯申请量排名前十的机构中,大学占到了八席,并且除了清华大学与鸿海集团进行合作之外,其他大学基本上都是单独申请专利。因此,我国应大力促进产学研合作,尽快出台政策以促进石墨烯研发及商业化进程。
   (作者:郑佳,中国科学技术信息研究所战略研究中心副研究员。)

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