抓住石墨烯发展的重大机遇

作者： 张景安

2014.03.03来源： 科技日报   

　　在当今的中国与世界，关于石墨烯可能引发的材料革命乃至新技术革命讨论非常热烈。最近，我到北京、上海、广州、深圳、江苏、浙江、黑龙江、山东、陕西和中科院、清华大学等地方和研究机构对石墨烯进行了调研。石墨烯具有非常大的发展潜力和应用前景，我们必须统筹规划，精心布局，紧紧抓住石墨烯研发和产业化所带来的重大发展机遇，努力掌握未来科技竞争的制高点。

　　正在兴起的石墨烯材料新时代

　　石墨烯的发现虽然仅10年左右，却引发了席卷全球的一波又一波的研究开发浪潮。石墨烯是一种由碳原子紧密堆积而成的二维晶体，具有神奇的电子传输、导电、导热和机械等特征。2004年英国曼彻斯特大学的物理学家安德烈海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫，在实验室成功地从石墨中剥离出了石墨烯，证明了石墨烯可以单独存在，因此荣获2010年诺贝尔物理学奖，从而掀起了石墨烯制备、改性和应用的全球研究热潮。将石墨烯用于超级电容器、透明电极、锂离子电池、传感器、功能涂料和聚合物纳米复合材料等方面的应用前景，开辟了石墨烯材料的新时代。

　　正如有学者所言，19世纪是铁器的时代，20世纪是硅的时代，21世纪是碳的时代。碳是自然界分布最普遍的元素之一，是构成地球上一切生命体最重要的元素。碳材料的特性几乎涵盖地球上所有物质的性质。先进碳材料具有新型结构和优异的物理化学性能，是对未来发展具有重大和决定意义的新材料。

　　新材料产业作为战略性新兴产业的重点之一，也是未来高新技术产业发展的基石和先导，是我国成为世界制造业强国的重要基础。石墨烯作为先进碳材料，它是当今发现的世界上最优质的材料。它有以下特点：最薄，0.35nm，被称为现今世界最薄的材料；比表面积最大，2620m2/g；最硬，刚度优于金刚石，是人类已知强度最高的物质，比钢铁硬100倍；最抗拉，可弹性拉伸20%；热导率最高，5300W/m.k；最高迁移率200,000cm2/v.s@300k；高透光性，透光率为97.7%/单层；高载流能力：电流密度比铜高6个数量级；最奇特的是，石墨烯是二维量子材料，线性能带色散关系，载流子有效质量为零，能在温室下观察到量子霍尔效应；还具有室温弹道输运特性。

　　石墨烯具有超薄、超轻、超高强度、超强导电性、优异的室温导热和透光性，几乎完全透明，结构稳定，应用非常广泛，发展前景巨大，是推动战略高技术发展的关键材料。

　　石墨烯具有无限广阔的应用前景，虽然现在还是潜在阶段，普遍应用与产业化还没有打开局面，但是从科学预测的角度来看，已经成为不可忽视的重点领域。比如，它可替代和解决传统锂电池充电速度慢、蓄电能力差、寿命短、污染等弊端，可解决电动汽车发展的关键难题，使新能源电动汽车蓬勃发展。再比如可以替代硅，制造未来新一代超级计算机；替代ITO透明导电薄膜，应用于触摸屏、柔性显示、太阳能电池等电子工业领域；还可应用于海水淡化、可降解塑料、散热膜、防腐涂层、生物材料、复合材料、平板电脑、手表日历、移动电话、光电探测器、石墨烯纸、石墨烯布以及航天军工、超轻防弹衣、超薄超轻飞机、超薄折叠手机、甚至有想象力的天空电梯等。石墨烯创造的需求，极有可能掀起一场席卷全球的颠覆性新技术新产业革命。从全球发展趋势来看，谁都不愿意丧失石墨烯发展带来的重大机遇。

　　石墨烯是未来高技术产业竞争的战略制高点

　　近年来，特别是2007年后，无论是石墨烯研究、论文发表以及研发与产业化，在中国和世界都进入了快速增长期。论文和专利年增幅都超过70%，特别是2009年—2012年，国际专利申请量增幅100%以上，迄今为止全球发表论文已超过3.4万篇，仅2013年就超过1万篇。全球专利申请超过4000件。值得一提的是，近几年我国在石墨烯领域发表的论文和专利申请，都居世界第一。截止到2012年底，我国共发表国际论文6308篇，美国排第二位，发表5709篇。我国论文引频次数共90403次，而美国论文被引频次数达132991次。我国申请专利1471件，美国申请专利1130件。说明我国在石墨烯领域的科技基础积累、研发以及高技术发展方面已具有一定的实力。

　　石墨烯是世界高技术发展的战略制高点，引起世界各国的高度关注，尤其是在研发方面竞争激烈。2008年—2010年，欧盟发布了石墨烯基纳米电子器件项目，并于2013年宣布将石墨烯列入“未来新兴旗舰技术项目”，将在今后10年研发资助10亿欧元，将石墨烯发展提升至战略高度。英国政府也重视石墨烯研究，在曼彻斯特大学建立国家石墨烯研究所，推进石墨烯材料的商业化进程。2011年，英国政府在《促进增长的创新与发展战略》中把石墨烯作为国家今后四个重点发展方向之一。投入5000万英镑支持石墨烯研发和商业化应用研究。同年，英国自然科学研究院委员会、英国技术战略委员会投入约1000万英镑，建立一个以新兴技术探索和市场开发为核心的创新中心，致力于石墨烯技术的探索、开发及应用。2012年底，英国政府又追加2150万英镑资助石墨烯的商业化探索研究。韩国政府投入研发费用14亿美元，把石墨烯材料及产品定为未来革新产业之一。2007年—2009年，韩国教育科学部门累计资助了90个相关项目，经费1870万美元。2012年—2018年，韩国原知识经济部预计将向石墨烯提供2.5亿美元的资助，1.24亿美元用于技术研发，其余用作商业化研究。2013年，韩国产业通商资源部宣布在未来6年内，投入4230万美元，帮助企业实现石墨烯的应用产品和相关技术商业化。2006年—2011年，美国国家自然科学基金（NSF）关于石墨烯的资助项目有200项，包括石墨烯超级电容器应用、石墨烯连续和大规模纳米制造等项目。2008年，美国国防部高级研究计划署（DARPA）投资2200万美元研发超高速和低耗能的石墨烯晶体管。同时，至少有10多家公司在研发与产业化方面取得了新的拓展。日本学术振兴机构（JST）从2007年起开始对石墨烯硅材料、器件的技术进行资助。德国于2009年由科学基金会（DFG）开展石墨烯新兴前沿研究项目。

　　各国政府纷纷重视和关注石墨烯的同时，企业也敏锐地抓住时机，表现出对石墨烯的极大兴趣，投入到石墨烯研发和产业化的竞争中。美国在纳米电子器件、高频电子器件方面研发力度大，已研发出表面附有石墨烯纳米涂层的柔性光伏电池板，大大降低制造透明可变形太阳能电池的成本，可广泛用于石墨烯夜视镜、相机等小型数码设备。加州大学伯克利分校研制出石墨调制器，可实现超快数据通讯。美国沃贝克材料公司推出导电油墨，性能好，价格低，并得到美国环保署批准。美国辉锐科技公司研发并制造出大面积柔性触控屏。IBM、三星公司重点研发在高速晶体管上的应用。三星、诺基亚重点研发石墨烯在柔性显示方面的应用。美国卡博特公司、韩国浦项公司在石墨烯电容器、电池方面取得重要进展。韩国三星不久前宣称将石墨烯成功应用于触摸平板显示器，制造出多层石墨烯等材料组成的透明可弯曲显示屏，可广泛应用于移动设备。索尼公司成功合成大面积长120米、宽230米石墨烯薄膜。IBM、巴斯夫和索尼等均投入巨额资金，化工医药巨头拜耳、飞机发动机巨头英国罗罗公司也加强了对石墨烯的研发，力图迅速占领石墨烯产业的制高点。

　　我国石墨烯研发和产业化的现状及政策建议

　　我国石墨烯领域研发起步较晚，但发展较快，有潜在优势和后发优势。2013年7月13日，中国石墨烯产业技术创新战略联盟成立。同时，江苏、浙江、深圳、上海、山东、福建、辽宁、重庆、黑龙江与中科院等机构以多种形式协同创新，纷纷建立了产业技术联盟，促进了创新资源优化组合和创新产业化进程。2013年中科院重庆研究院研制出15英寸的单层石墨烯。2013年2月，无锡格菲电子薄膜科技公司研发出石墨烯电容式融屏手机。常州第六元素公司年产100吨粉体，宁波墨西科技公司年产300吨石墨烯粉体。2013年5月，常州二维碳素科技公司、无锡格菲电子薄膜科技公司、深圳合力光电传感公司联合江南石墨烯研究院在常州投产3万平方米石墨烯薄膜生产线。常州二维碳素科技公司研究出手机电容式触摸屏，盐城纳新天地科技有限公司2013年在盐城建设石墨烯产业集群，率先研究成功单层石墨烯改性材料，并与南车集团合作用于高铁。深圳贝特瑞新能源材料股份有限公司、无锡和青岛产业基地、中科院纳米中心、中科院微系统所、清华大学、华东理工大学、北京化工大学等都在石墨烯研发与产业化上做了大量的攻关，力求取得突破性的进展。

　　2010年，江苏常州市委市政府决定投资5000万，成立江南石墨烯科技产业园，引进8个研发团队，其中5个为海归研发团队，建了11个专业研究室和分析测试中心，培养了7家企业，市值达到20亿元。2011年开始连续3年举办石墨烯发展高层论坛，努力建设产学研金一体化的石墨烯研究中心和新型创新产业集群，力争成为国际化的石墨烯产业发展先导区。

　　纵观中国与世界，石墨烯产业化与材料革命正处于突破的前夜。虽然目前石墨烯的应用还没有大规模投入市场，也有风险和不确定性，但未来的发展潜力和威力巨大。中国绝不可以丧失这次发展机遇，同时也要防止走弯路，浪费资源、人力和物力。我们要审时度势，制定科学正确理性的发展政策与措施。

　　一是抓住机遇，有所作为。目前我们与发达国家处于同一起跑阶段，要抓住机遇，在推进产业化方面尽快有所作为。在世界石墨烯材料革命竞争中，率先创新，引领发展，实现由“跟跑者”向“领跑者”的跨越。

　　二是制定规划，重点支持。建议有关方面认真调研，制定石墨烯研发和产业化发展规划。在国家层面设立创新专项，给予重点支持，以企业为主体，产学研协同创新，推动跨越式发展。

　　三是防止利用石墨烯炒作。石墨烯可以代替石油，一旦突破将对我国产生巨大的效益，而且降低了石油在国际战略中的地位，对增强我国能源战略安全具有重大意义。但是，目前市场中已经出现了利用投资者的预期在股市里炒作圈钱的行为，给投资者造成损失，也影响到石墨烯产业的健康发展，对此需要予以重视并制定相应的对策。

　　四是制定正确的技术路线和技术标准。石墨烯发展很快，各方面都纷纷加入到研发和产业化之中。但是，有些企业在发展石墨烯过程中缺乏科学方法和正确的技术路线，盲目发展者可能会走弯路，造成不必要的损失和混乱。建议有关部门组织制定国家石墨烯健康发展的技术政策。同时，要制定技术标准，将技术研发优势转化为行业标准优势，掌握石墨烯发展的话语权。

　　五是保护国家石墨烯战略资源。我国是石墨资源大国，近些年大量原料以3000元/吨的价格出口国外，甚至被某些国家进口存入海底。有些企业将石墨资源浸泡式粗加工，以10000元/吨左右的价格出售，导致严重的资源利用浪费。建议政府部门采取有效的对策和措施，这么重要的战略资源，千万不能重蹈稀土的覆辙。

　　（作者：中国高新技术产业开发区协会理事长）