火热石墨烯犹存待解之题

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  10月23日,对英国进行国事访问的国家主席习近平参观了位于曼彻斯特大学的英国国家石墨烯研究院。2004年,曼彻斯特大学教授康斯坦丁·诺沃肖洛夫和他的老师——安德烈·盖姆,成功从石墨中分离出石墨烯,证实其可以单独存在,2人因此共同获得2010年诺贝尔物理学奖。参观过程中,习近平肯定了曼彻斯特大学国家石墨烯研究院在石墨烯领域的研究实力和国际影响力。习近平表示,“在当前新一轮产业升级和科技革命大背景下,新材料产业必将成为未来高新技术产业发展的基石和先导,对全球经济、科技、环境等各个领域发展产生深刻影响”;同时指出,“中国是石墨资源大国,也是石墨烯研究和应用开发最活跃的国家之一。”近年来已经备受关注石墨烯,一时间再度成为科技领域瞩目的焦点。
  产业现状
  据有关统计表明,截至目前,我国石墨烯技术专利的数量已经超过1万件,位居全球之首,这从一定程度上反映了我国在石墨烯技术方面投入的研发力量巨大,技术发展的机会众多(详见本期专题的多篇文章所述)。正如中国科学院金属研究所成会明研究员所说,从石墨烯大量制备技术的角度看,我国无论是在化学剥离方法,还是在化学气相沉积方法方面,都具有一定的优势;在石墨烯应用开发方面,特别是在能够充分发挥石墨烯材料综合性能的关键性应用方面,才刚起步;同时我国在石墨烯器件研究与开发方面与国外尚有差距。科研和技术开发人员必须踏踏实实地开展面向实际的应用研究与开发,才能将制备优势转化为应用乃至产业发展优势。
  石墨烯产业是非常有活力的朝阳产业。据不完全统计,目前我国石墨烯产业共有中小型企业约80家,此外上市公司公告表示涉及石墨烯行业的有约20家。虽然没有官方统计数字,但据业内人士估算整个行业的产值大约在3亿~5亿元左右。
  目前,我国绝大多数实际从事石墨烯研发、生产、应用的石墨烯企业都处于起步阶段,甚至是刚刚成立的创业团队,除少数几家企业外,销售额大都不超过百万量级;而上市公司或投资基金参与的方式主要是股权投资或项目投资,大多数没有直接参与。国内一些石墨烯企业,其研发的产品也各有亮点。常州二维碳素科技有限公司(以下简称“二维炭素”),于2012年成功研制全球首款手机用石墨烯电容触摸屏,2013年,该公司年产3万m2的石墨烯透明导电薄膜生产线正式投产。贵州新碳高科有限责任公司,2013年4月成功研制出柔性石墨烯散热薄膜,可大幅度提升笔记本电脑、智能手机、LED显示屏的散热性能,推出了我国首个纯石墨烯粉末产品。重庆墨希科技有限公司(以下简称“重庆墨希”),2015年3月2日与嘉乐派科技有限公司联合发布石墨烯手机,该手机采用石墨烯制成的5.5英寸触控屏、电池和导热膜等新材料。
  青岛华高墨烯科技有限公司(以下简称“华高墨烯”)总经理钟成详细介绍说,现阶段石墨烯材料分2大类,即从石墨制备得到的石墨烯粉体(浆料)及其衍生品,以及由化学气相沉积法(CVD)得到的石墨烯单层薄膜和下游产品。其中,石墨烯粉体(浆料)主要作为添加剂,加入复合材料、电极材料、涂料等已有基体中,起到提高导电导热性、改善界面强度、实现新功能等方面作用。目前从事粉体生产和应用的企业主要包括宁波墨西科技有限公司、鸿纳(东莞)新材料科技有限公司、南京科孚纳米技术有限公司、华高墨烯、济宁利特纳米技术有限公司等,目前公开的总产能达到近千吨,主要市场是在导电添加剂方向上。而化学气相沉积法(CVD)石墨烯单层薄膜是一种单层(或少层)的大面积石墨烯多晶膜,具有透光性好、导电性好、柔性好的特点,在透明导电膜、传感器、柔性器件、石墨烯集成电路方面有巨大的应用潜力,目前国内有重庆墨希、二维炭素、厦门烯成新材料科技有限公司等企业正在进行CVD法的研究和生产,其中重庆墨希拥有年产百万平米的大规模生产线,二维炭素在石墨烯触控屏技术上较为成熟。
  我国石墨烯产业从地域上看,长三角地区以其优秀的民营经济活力,率先开展了石墨烯产业的聚集,无锡、泰州、常州、宁波等地都有很好的石墨烯产业园和产业政策。江南石墨烯研究院是全球第一家专业石墨烯研发孵化机构,引领了石墨烯产业发展,2015年3月13日,常州国家石墨烯新材料高新技术产业化基地正式获批并落户常州西太湖科技产业园。紧随其后,深圳、重庆、青岛、上海、北京、德阳、河北等地也纷纷投入资金和场地,引进创业团队和海归人才,大力扶持石墨烯产业。
  问题尚存
  当下,我国的石墨烯技术和产业发展可谓如火如荼,而且来自政府层面的利好消息不断。据悉,国家将从多个方面支持石墨烯产业发展,包括出台石墨烯产业发展指导意见,创建产业联合创新中心,以及工信部将成立产业发展联盟;国家首个石墨烯及先进碳材料特色产业基地也已获批,将在青岛落户建成;同时,1亿元石墨烯相关项目投资基金也已设立。但是,纵观石墨烯产业发展链条,还存在着诸多需要破解的问题。
  作为石墨烯业内人士的钟成,表达了自己对产业的一些思考。他说,我国石墨烯产业发展,经历了2010-2013年的初创期,在2014-2015年,出现了爆炸式的高速增长,上至国家领导和各级部委,下到地方政府,包括投资机构、上市公司、宣传媒体等等,在短时间内投入大量资源,关注或投入石墨烯产业。钟成肯定了这对促进石墨烯产业发展带来的积极作用,如引进了迫切需要的资金、技术、人员和政策,从而为未来石墨烯产业高速进步奠定了非常好的基础,同时他也提出了自己深深的忧思,认为石墨烯产业光鲜的表面之下也出现了以下很多深刻的问题,甚至对产业发展的未来造成了潜在的风险。


  第一,产业发展无序,缺少规划与引导。客观地说,无论产业界还是政策层面,对石墨烯这种新材料的理解都是很不够的,立项投资的依据缺失,评估方法相对简单,市场预测偏向乐观。在这种情况下,开展石墨烯的产业化就缺乏理论指导和中长期规划,对石墨烯应用的方向也没有清晰的思路,重复建设、盲目上马的现象比比皆是。行业迫切需要科学家与企业家联合起来,建立开放式的行业机构,制定合理可行的路线图,引导产业健康发展。   第二,目标短平快,基础研究不扎实。石墨烯是极少的基础研究与产业化齐头并进的技术领域,欧盟旗舰计划2015年报告中调侃到“石墨烯也许是唯一在量子场论研究中的成果都可以申请专利的领域”。但相对于硅材料或金属材料,石墨烯的很多基础科学问题和结构——性质关系,仍然没有透彻、深刻的认识。而在企业层面,没有扎实的科学研究作为基础,简单的尝试石墨烯添加到各种材料中,既不能得到很好的结果,也往往造成对石墨烯错误的预期,因此也没有人能够预言石墨烯真正的规模化应用可能出现在哪个领域。
  第三,鱼龙混杂,炒作过度,缺少专业性和规范性。石墨烯从问世开始,就受到了广泛的关注,其独特的性质让人们猜测其未来前景巨大,无论是市场价值还是社会效益都有很大的潜力。也因此造成了石墨烯应用和产业中,有着非常多的炒作和噱头,甚至一些人有意借助石墨烯的影响力来宣传不直接相关的企业和产品。而媒体和终端用户由于专业知识的缺乏,往往很难分辨真伪,一次次被石墨烯新闻影响,对石墨烯有错误的印象和期望值。在少数一些新闻中,违反基本科学原理和常识的技术或产品,因为冠以石墨烯的头衔而被反复炒作。这对石墨烯产业发展非常有害,甚至是破坏性的。
  第四,积淀不足,方向不清,没有杀手级应用。从2004年发现石墨烯的存在,到今天也只有短短11年。石墨烯科学和石墨烯产业都处于早期的发展阶段,石墨烯产业尚没有一个真正的“杀手级应用”。虽然行业内对石墨烯涂料、超级电容器、透明导电膜等等方向都非常看好,也投入了大量的资源,但是至今为止仍然不能说上述产品是真正的产业化突破,也没有如预期中产生巨大的经济和社会效益。
  发展建议
  针对石墨烯这一快速发展的朝阳产业存在的种种问题,工业和信息化部赛迪智库原材料工业研究所所长肖劲松从宏观、微观角度给出了如下建议:
  搭建政产学研用互促合作的产业化转换平台。一是加强“政产学研用”合作创新体系建设,提升产业创新能力和核心竞争力。出台相关的扶植政策,加强政策引导;整合高校和研发机构等创新资源,加强技术研发和人才培养,推动石墨烯重点关键技术实现突破;鼓励企业创新,加强企业与高校、科研机构的紧密合作,成立企业技术中心,搭建产学研合作平台,形成以企业为主体、产学研相结合的技术创新体系。二是鼓励地方创立石墨烯专业园区,建设完善的公共服务平台,发挥专业园区在产学研合作中的载体作用,进而形成产业孵化培育体系,推动科研成果的产业化发展。
  稳步推动高端应用领域的技术升级。一是推动单层石墨烯薄膜的研发进程,实现高纯度和无夹杂单层石墨烯的可控微操作,满足下游半导体和微电子产业的研发和工业生产要求,推动半导体和微电子产业的改革升级。二是推动石墨烯薄膜生产设备的研发进程,突破技术瓶颈,降低的生产成本,实现石墨烯薄膜的连续化和规模化生产。三是搭建薄膜领域研发主体和产业化主体的合作平台,加快石墨烯透明导电薄膜的研发进程,突破大尺寸石墨烯薄膜的生产瓶颈,激发石墨烯薄膜市场化应用需求。
  合理加快低端应用领域的市场化进程。一是拓展石墨烯电极应用市场。搭建研发主体和市场化主体的合作平台,重点突破下游厂商所需石墨烯电极生产瓶颈,加快重点产品的产业化进程。提高电动汽车和电动公交车等的市场认知度和接受度,建立健全电动车的配套装置设施,搭建平坦畅通的石墨烯粉末-石墨烯电极-超级电容(或锂离子电池)的产业化通道。二是合理规划石墨烯粉末应用领域。合理规划现有产能和发展路径,避免重复碳纤维和稀土产业那样的盲目发展、产能过剩、淘汰落后的无序三步走。三是进一步加快石墨烯粉末的产业化进程,加快相关企业从中试到产业化生产的转化速度,实现大规模生产,降低生产成本,形成价格优势,刺激下游企业的购买和应用欲望。四是升级功能涂料、散热材料、符合材料等领域。加强与科研机构、高校的合作,加快技术升级进程,克服低投资回报率的障碍;搭建生产厂商、下游厂商和研发机构的合作桥梁,聚焦重点产品,完善重点产品产业链,刺激重点产品的市场需求,加快重点产品的产业化进程,努力打造石墨烯市场化的产业链。
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