中國儲(chǔ)能網(wǎng)訊：作為一種獨(dú)特的先進(jìn)碳材料，石墨烯正在掀起一場席卷全球的顛覆性產(chǎn)業(yè)革命。但總的來講，目前石墨烯產(chǎn)業(yè)仍處在發(fā)展初期，特別是石墨烯整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈未實(shí)現(xiàn)疏通和整合。石墨烯產(chǎn)業(yè)發(fā)展之路究竟該怎么走?帶著這一問題，中國化工報(bào)記者近日采訪了多位業(yè)內(nèi)人士。
外部環(huán)境：加速推動(dòng)產(chǎn)業(yè)化
石墨烯是世界上已發(fā)現(xiàn)的最薄、強(qiáng)度最高的納米材料，也是導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性最出色的材料。在各國政府關(guān)注石墨烯產(chǎn)業(yè)發(fā)展之時(shí)，我國也先后推出了促進(jìn)石墨烯產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的相關(guān)規(guī)劃和政策。據(jù)悉，石墨烯在今年被科技部列為“863”計(jì)劃納米材料專項(xiàng)重點(diǎn)支持內(nèi)容;而在“十三五”科技發(fā)展規(guī)劃中，石墨烯研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化也有望獨(dú)占一席。國家自然科學(xué)基金委對(duì)石墨烯基礎(chǔ)研究也給予了高度重視，近年來每年都支持?jǐn)?shù)百個(gè)與石墨烯相關(guān)的研究課題，相關(guān)項(xiàng)目累計(jì)已達(dá)1000多個(gè)。國家發(fā)改委、工信部在商討出臺(tái)新材料重大研究計(jì)劃時(shí)，也多次組織對(duì)石墨烯產(chǎn)業(yè)的調(diào)研。
除了國家層面的支持，地方政府在推動(dòng)石墨烯產(chǎn)業(yè)化發(fā)展方面也頻頻發(fā)力。此前，江蘇省無錫市發(fā)布了《無錫石墨烯產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃綱要》，積極推進(jìn)石墨烯產(chǎn)業(yè)分工合作、資源共享與區(qū)域聯(lián)動(dòng)發(fā)展，進(jìn)而將無錫打造成國家級(jí)石墨烯產(chǎn)業(yè)應(yīng)用示范基地和具有國際競爭力的石墨烯產(chǎn)業(yè)發(fā)展示范區(qū)。無錫石墨烯產(chǎn)業(yè)發(fā)展示范區(qū)、無錫市石墨烯技術(shù)及應(yīng)用研發(fā)中心、江蘇省石墨烯檢測技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室也于不久前揭牌。
此外，行業(yè)聯(lián)盟的成立加速了石墨烯產(chǎn)業(yè)鏈、創(chuàng)新鏈、價(jià)值鏈的形成。去年7月13日，由清華大學(xué)、中科院金屬研究所、南京科孚納米技術(shù)有限公司、中科院寧波材料技術(shù)與工程研究所、北京現(xiàn)代華清材料科技發(fā)展中心等核心單位發(fā)起，聯(lián)合國內(nèi)從事石墨烯研發(fā)、產(chǎn)業(yè)化的22家法人機(jī)構(gòu)，在中國產(chǎn)學(xué)研合作促進(jìn)會(huì)的支持下成立了中國石墨烯產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟。短短1年多時(shí)間，聯(lián)盟在促進(jìn)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展方面成績斐然：先后在無錫、青島、深圳和寧波布局了4個(gè)石墨烯產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新基地;推動(dòng)成立江蘇省、山東省等省級(jí)石墨烯產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟;啟動(dòng)中國(泰州)石墨烯研究及檢測公共服務(wù)平臺(tái);成立中國石墨烯標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)，并發(fā)布全球首個(gè)明確給出石墨烯關(guān)鍵名詞術(shù)語和定義的標(biāo)準(zhǔn)即中國石墨烯第1號(hào)標(biāo)準(zhǔn)《石墨烯材料的名詞術(shù)語與定義》。
除了政策扶持和行業(yè)自身的努力，石墨烯產(chǎn)業(yè)化的進(jìn)行還需要資金支持。國務(wù)院參事、中國生產(chǎn)力促進(jìn)中心協(xié)會(huì)理事長石定寰表示，創(chuàng)新活動(dòng)光有產(chǎn)學(xué)研還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，還需要金融、財(cái)政的支持，形成一套完善的金融服務(wù)體系，不然創(chuàng)新活動(dòng)就成了“無米之炊”。
中國石墨烯產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟秘書長李義春也表示：“當(dāng)一項(xiàng)技術(shù)發(fā)展到成熟階段進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化通道時(shí)，資本就變得尤為重要?！睗?jì)南墨希新材料科技有限公司常務(wù)副總經(jīng)理高飛告訴中國化工報(bào)記者，石墨烯是朝陽產(chǎn)業(yè)，長遠(yuǎn)來看是非常好的投資選擇，然而目前石墨烯行業(yè)剛剛起步，大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用尚未展開，企業(yè)盈利能力很弱，可能未來兩三年都見不到回報(bào)，并不適合短期投資?！罢顿Y是一個(gè)不錯(cuò)的風(fēng)向標(biāo)?！彼f，“無錫、寧波、青島等地政府都對(duì)石墨烯產(chǎn)業(yè)投入巨資進(jìn)行扶持。”
為進(jìn)一步推進(jìn)石墨烯產(chǎn)業(yè)化，意在利用投融資方式創(chuàng)新和加強(qiáng)協(xié)同創(chuàng)新能力加速推進(jìn)石墨烯產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程的中國石墨烯產(chǎn)業(yè)投融資聯(lián)盟也已正式成立。杭州道弘新材料基金總裁謝鋅昊表示，中國石墨烯產(chǎn)業(yè)投融資聯(lián)盟將成立聯(lián)盟內(nèi)基金，優(yōu)選石墨烯項(xiàng)目，引進(jìn)專業(yè)投資人，培育扶持石墨烯企業(yè)健康快速發(fā)展。
加速手段：國際合作聯(lián)合創(chuàng)新
雖然國內(nèi)產(chǎn)業(yè)化已經(jīng)起步，但我們應(yīng)該清醒地看到，由石墨烯應(yīng)用引發(fā)的產(chǎn)業(yè)化革命正處于黎明前的準(zhǔn)備期。創(chuàng)新與合作、應(yīng)用研究與產(chǎn)業(yè)化推進(jìn)將成為劃破黑暗的曙光。這是不久前召開的2014中國國際石墨烯創(chuàng)新大會(huì)達(dá)成的共識(shí)。在這場20多個(gè)國家、360多家機(jī)構(gòu)的1000余位石墨烯專家和企業(yè)代表聚首的行業(yè)盛宴上，誕生了《石墨烯創(chuàng)新寧波宣言》?！缎浴诽岢?，石墨烯行業(yè)應(yīng)注重原始創(chuàng)新和開放合作，積極參與國際交流合作，充分利用全球創(chuàng)新資源，加快重大產(chǎn)品的創(chuàng)新突破，推動(dòng)石墨烯產(chǎn)品的國際化發(fā)展。
近年來，世界石墨烯技術(shù)發(fā)展呈現(xiàn)突飛猛進(jìn)的持續(xù)升溫態(tài)勢，各國都在這新一輪的高技術(shù)競爭中爭分奪秒搶占先機(jī)。2013年，歐盟宣布將石墨烯列入未來新興旗艦技術(shù)項(xiàng)目。中國作為石墨資源大國和制造業(yè)大國，不但在石墨烯研究方面與國際同步，而且在石墨烯應(yīng)用方面具有巨大的市場空間，由此成為全球石墨烯行業(yè)共同關(guān)注的焦點(diǎn)。
據(jù)了解，中歐雙方目前對(duì)石墨烯都給予了高度重視，同時(shí)也都取得了較大進(jìn)展。雙方在石墨烯領(lǐng)域的研究有競爭，但更多的是互補(bǔ)。歐盟石墨烯旗艦計(jì)劃共列了13個(gè)大方向，雖然基本涵蓋了石墨烯的所有領(lǐng)域，但布局更側(cè)重于基礎(chǔ)和前沿領(lǐng)域，包括石墨烯在高頻電子、傳感器、柔性顯示等領(lǐng)域的應(yīng)用。而對(duì)于石墨烯在儲(chǔ)能電池、觸摸顯示、散熱、復(fù)合材料等領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)化研究，相對(duì)來說目前中國的商業(yè)化基礎(chǔ)更好，更有優(yōu)勢。因此加強(qiáng)兩方的合作與溝通，能夠取長補(bǔ)短，并實(shí)現(xiàn)資源的更有效配置，加速石墨烯產(chǎn)業(yè)的快速健康發(fā)展。
為此，國內(nèi)石墨烯行業(yè)將與歐洲石墨烯旗艦計(jì)劃組、Phantoms基金會(huì)等共同發(fā)起成立國際石墨烯創(chuàng)新聯(lián)盟，聯(lián)盟將通過建立公益性、非政府的全球石墨烯創(chuàng)新服務(wù)平臺(tái)，在全球石墨烯產(chǎn)業(yè)戰(zhàn)略發(fā)展藍(lán)圖繪制、增強(qiáng)國際化聯(lián)合創(chuàng)新、架設(shè)技術(shù)與資本的橋梁等國際產(chǎn)業(yè)環(huán)境建設(shè)等方面發(fā)揮重要的推動(dòng)作用。據(jù)悉，聯(lián)盟總部有望設(shè)在中國。
中國高新區(qū)協(xié)會(huì)理事長張景安表示，中國在石墨烯領(lǐng)域研發(fā)起步較晚，但發(fā)展較快，有潛在優(yōu)勢和后發(fā)優(yōu)勢。特別是石墨烯許多應(yīng)用領(lǐng)域的市場空間在中國、在全球石墨烯研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化布局中有很強(qiáng)的互補(bǔ)性。因此，在推動(dòng)石墨烯產(chǎn)業(yè)發(fā)展的同時(shí)，加強(qiáng)國際間的合作尤為重要。
加速方向：從應(yīng)用領(lǐng)域突破瓶頸
石墨烯產(chǎn)業(yè)化目前風(fēng)風(fēng)火火，但仍然煉不出橫亙其前的最重要的一塊金子——應(yīng)用研究的根本突破。
石墨烯應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛，未來將在散熱材料、鋰電材料、儲(chǔ)能材料等領(lǐng)域獲得應(yīng)用。但專家指出，目前最有價(jià)值的應(yīng)用應(yīng)該還是在半導(dǎo)體領(lǐng)域如晶體管、高頻元件、傳感器等。一旦晶圓級(jí)尺寸石墨烯單晶薄膜的規(guī)?；苽浼夹g(shù)取得突破，石墨烯將有望取代硅成為新一代半導(dǎo)體器件的核心材料，將為電子信息技術(shù)帶來革命性的變化。但是這對(duì)全世界都是一個(gè)巨大的難題，可能需要十幾年甚至數(shù)十年的努力，而且這一領(lǐng)域本身的資金、技術(shù)門檻都很高。
至于石墨烯最早能實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的領(lǐng)域，專家認(rèn)為可能還是石墨烯粉體以高端添加劑的形式應(yīng)用于鋰離子電池、涂料、油墨、塑料等領(lǐng)域。例如，將石墨烯應(yīng)用于鋰離子電池可以解決傳統(tǒng)鋰電池能量密度和功率密度難以兼得的問題，因此石墨烯在鋰離子電池中應(yīng)用是一個(gè)非常有前途的方向。石墨烯可以在多個(gè)方面應(yīng)用于鋰電池中，比如石墨烯復(fù)合負(fù)極材料，如硅碳復(fù)合負(fù)極材料;也可以作為鋰電池正負(fù)極材料的導(dǎo)電添加劑，還可以涂覆于鋁箔集流體上，形成石墨烯功能涂層鋁箔石。
然而，上述這些目前都處在“進(jìn)行時(shí)”甚至“將來時(shí)”。近年來，石墨烯粉體在規(guī)?；苽浼夹g(shù)上取得了巨大進(jìn)步，目前成本已經(jīng)從最初的幾千元1克降到大批量生產(chǎn)時(shí)的每克幾元甚至低于1元。盡管尚未經(jīng)過產(chǎn)品均一性、穩(wěn)定性等的考驗(yàn)，但為其在下游的應(yīng)用提供了極大可能。
相比之下，石墨烯在下游的應(yīng)用研究就顯得相對(duì)滯后。目前石墨烯產(chǎn)業(yè)最大的瓶頸仍在于下游應(yīng)用，還沒有一個(gè)領(lǐng)域可以實(shí)現(xiàn)石墨烯的規(guī)模化應(yīng)用。因此，業(yè)內(nèi)人士指出，盡快實(shí)現(xiàn)石墨烯在下游的某一兩個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域的突破是當(dāng)前石墨烯產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵。
“有了大訂單，才可能有發(fā)展”。中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所研究員劉兆平接受中國化工報(bào)記者采訪時(shí)曾表示，目前石墨烯市場比較混亂，行業(yè)面臨的問題較多，其中最重要的是應(yīng)用技術(shù)的研發(fā)，這個(gè)問題搞清楚了，就可以有針對(duì)性地生產(chǎn)符合需求的石墨烯產(chǎn)品。高飛也向記者表示：“目前國內(nèi)石墨烯規(guī)模制備技術(shù)迅速發(fā)展，成本問題可以通過技術(shù)創(chuàng)新、規(guī)模效應(yīng)來解決，但如何將石墨烯完美添加到產(chǎn)品里面并有效提升產(chǎn)品性能，這是最重要的?！彼瑫r(shí)認(rèn)為：“石墨烯應(yīng)用研究應(yīng)該接地氣，要能實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，還要對(duì)現(xiàn)有生產(chǎn)線改動(dòng)盡量小?！备唢w還表示，目前生產(chǎn)研發(fā)企業(yè)和下游企業(yè)缺乏溝通，科研單位的研發(fā)與企業(yè)應(yīng)用缺少有效對(duì)接，業(yè)內(nèi)過分偏重基礎(chǔ)科學(xué)研究而實(shí)用型技術(shù)人才太少，這些都在制約石墨烯產(chǎn)業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展。
另外，石墨烯粉體或者薄膜產(chǎn)品本身的成本、品質(zhì)、穩(wěn)定性等仍有較大的改進(jìn)空間。國家半導(dǎo)體照明工程研發(fā)及產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟理事長吳玲曾表示，目前LED行業(yè)正在快速發(fā)展，但LED最終能否走進(jìn)老百姓家里，還要看它的價(jià)格。現(xiàn)在LED上的ITO用的是銦，石墨烯如果做好了就可以替代它，至少在半導(dǎo)體照明的光效提升方面，會(huì)是石墨烯的大客戶。
當(dāng)然，業(yè)內(nèi)對(duì)石墨烯的未來仍然持樂觀態(tài)度。石墨烯的發(fā)現(xiàn)者和諾貝爾獎(jiǎng)獲得者Andre Geim教授在今年的一次講座中曾提出，預(yù)計(jì)三五年內(nèi)，石墨烯會(huì)有令人驚奇的應(yīng)用。在國際石墨烯創(chuàng)新大會(huì)上，美國CVD equipment公司、西班牙ICN2、德國耐馳公司、英國國家石墨烯研究所、西班牙Graphenea公司等10余家國外機(jī)構(gòu)，墨西科技、廈門凱納、上海新池、中科院金屬所等20余家國內(nèi)單位展示了其最新成果和產(chǎn)品。從近期報(bào)道的消息來看，不少研究成果已經(jīng)開始觸摸到了應(yīng)用層面，這些研究成果的應(yīng)用，讓消費(fèi)者對(duì)可彎曲的智能手表、可折疊成智能手機(jī)的平板電腦、15分鐘便充好電且續(xù)航能力達(dá)500千米的電動(dòng)車蓄電池等石墨烯革命可能帶來的改變，更加充滿期待。石墨烯時(shí)代將不再遙遠(yuǎn)。
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石墨烯制備技術(shù)一覽
自2004年Geim等首次用微機(jī)械剝離法制備出石墨烯以來，科研人員開發(fā)出眾多制備石墨烯的方法，其中比較主流的方法有外延生長法、化學(xué)氣相沉淀(CVD)法和氧化石墨還原法等。
●微機(jī)械剝離法 石墨烯首先由微機(jī)械剝離法制得。微機(jī)械剝離法是用透明膠帶將高定向熱解石墨片按壓到其他表面上進(jìn)行多次剝離，最終得到單層或數(shù)層的石墨烯。該法操作簡單、制作樣本質(zhì)量高，是當(dāng)前制取單層高品質(zhì)石墨烯的主要方法。但其可控性較差，制得的石墨烯尺寸較小且存在很大的不確定性，同時(shí)效率低，成本高，不適合大規(guī)模生產(chǎn)。
●外延生長法 外延生長法包括碳化硅外延生長法和金屬催化外延生長法。碳化硅外延生長法是在高溫下加熱SiC單晶體，使Si原子被蒸發(fā)而脫離表面，剩下的C原子通過自組形式重構(gòu)得到石墨烯。金屬催化外延生長法是在超高真空條件下，將碳?xì)浠衔锿ㄈ氲骄哂写呋钚缘倪^渡金屬基底表面，通過加熱使吸附氣體催化脫氫從而制得石墨烯。這兩種方法所制備的石墨烯多為單層，可大面積制備出均勻的石墨烯。
●化學(xué)氣相沉淀(CVD)法 被認(rèn)為最有希望制備出高質(zhì)量、大面積的石墨烯的方法，也是產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)石墨烯薄膜最具潛力的方法。該法將碳?xì)浠衔锿ㄈ氲礁邷丶訜岬慕饘倩妆砻娣磻?yīng)后冷卻，冷卻過程中在基底表面會(huì)形成數(shù)層或單層石墨烯。該法與金屬催化外延生長法類似，其優(yōu)點(diǎn)是可以在更低溫度下進(jìn)行，降低能量消耗，并且石墨烯易于分離，有利于后續(xù)的加工處理。
●氧化石墨還原法 該法也被認(rèn)為是目前制備石墨烯的最佳方法之一。該方法操作簡單、制備成本低，可以大規(guī)模地制備出石墨烯，已成為石墨烯制備的有效途徑。其具體操作過程是先用強(qiáng)氧化劑將石墨氧化成氧化石墨，在石墨層間穿插一些含氧官能團(tuán)，后經(jīng)超聲可形成單層或數(shù)層氧化石墨烯，再用強(qiáng)還原劑將氧化石墨烯還原成石墨烯。
其他制備石墨烯的方法還有碳納米管切割法、石墨插層法、離子注入法、高溫高壓(HPHT)生長法、爆炸法以及有機(jī)合成法等。
