中國儲能網(wǎng)訊：作為一種獨特的先進碳材料，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，特別是石墨烯整個產(chǎn)業(yè)鏈未實現(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，中國化工報記者近日采訪了多位業(yè)內(nèi)人士。
外部環(huán)境：加速推動產(chǎn)業(yè)化
石墨烯是世界上已發(fā)現(xiàn)的最薄、強度最高的納米材料，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，我國也先后推出了促進石墨烯產(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”計劃納米材料專項重點支持內(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)化也有望獨占一席。國家自然科學(xué)基金委對石墨烯基礎(chǔ)研究也給予了高度重視，近年來每年都支持?jǐn)?shù)百個與石墨烯相關(guān)的研究課題，相關(guān)項目累計已達1000多個。國家發(fā)改委、工信部在商討出臺新材料重大研究計劃時，也多次組織對石墨烯產(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》，積極推進石墨烯產(chǎn)業(yè)分工合作、資源共享與區(qū)域聯(lián)動發(fā)展，進而將無錫打造成國家級石墨烯產(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)重點實驗室也于不久前揭牌。
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家法人機構(gòu)，在中國產(chǎn)學(xué)研合作促進會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年多時間，聯(lián)盟在促進產(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個石墨烯產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新基地;推動成立江蘇省、山東省等省級石墨烯產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟;啟動中國(泰州)石墨烯研究及檢測公共服務(wù)平臺;成立中國石墨烯標(biāo)準(zhǔn)化委員會，并發(fā)布全球首個明確給出石墨烯關(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)化的進行還需要資金支持。國務(wù)院參事、中國生產(chǎn)力促進中心協(xié)會理事長石定寰表示，創(chuàng)新活動光有產(chǎn)學(xué)研還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，還需要金融、財政的支持，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)一項技術(shù)發(fā)展到成熟階段進入產(chǎn)業(yè)化通道時，資本就變得尤為重要?！睗夏Ｐ虏牧峡萍加邢薰境?wù)副總經(jīng)理高飛告訴中國化工報記者，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，并不適合短期投資。“政府投資是一個不錯的風(fēng)向標(biāo)。”他說，“無錫、寧波、青島等地政府都對石墨烯產(chǎn)業(yè)投入巨資進行扶持。”
為進一步推進石墨烯產(chǎn)業(yè)化，意在利用投融資方式創(chuàng)新和加強協(xié)同創(chuàng)新能力加速推進石墨烯產(chǎn)業(yè)化進程的中國石墨烯產(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)選石墨烯項目，引進專業(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)新大會達成的共識。在這場20多個國家、360多家機構(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。2013年，歐盟宣布將石墨烯列入未來新興旗艦技術(shù)項目。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。
據(jù)了解，中歐雙方目前對石墨烯都給予了高度重視，同時也都取得了較大進展。雙方在石墨烯領(lǐng)域的研究有競爭，但更多的是互補。歐盟石墨烯旗艦計劃共列了13個大方向，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。而對于石墨烯在儲能電池、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。因此加強兩方的合作與溝通，能夠取長補短，并實現(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劃組、Phantoms基金會等共同發(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，在全球石墨烯產(chǎn)業(yè)戰(zhàn)略發(fā)展藍(lán)圖繪制、增強國際化聯(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)化布局中有很強的互補性。因此，在推動石墨烯產(chǎn)業(yè)發(fā)展的同時，加強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、儲能材料等領(lǐng)域獲得應(yīng)用。但專家指出，目前最有價值的應(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。但是這對全世界都是一個巨大的難題，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)用是一個非常有前途的方向。石墨烯可以在多個方面應(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“進行時”甚至“將來時”。近年來，石墨烯粉體在規(guī)模化制備技術(shù)上取得了巨大進步，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，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，還沒有一個領(lǐng)域可以實現(xiàn)石墨烯的規(guī)模化應(yīng)用。因此，業(yè)內(nèi)人士指出，盡快實現(xiàn)石墨烯在下游的某一兩個應(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記者采訪時曾表示，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)，這個問題搞清楚了，就可以有針對性地生產(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。”他同時認(rèn)為：“石墨烯應(yīng)用研究應(yīng)該接地氣，要能實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，還要對現(xiàn)有生產(chǎn)線改動盡量小?！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)用缺少有效對接，業(yè)內(nèi)過分偏重基礎(chǔ)科學(xué)研究而實用型技術(shù)人才太少，這些都在制約石墨烯產(chǎn)業(yè)的進一步發(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最終能否走進老百姓家里，還要看它的價格?，F(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，會是石墨烯的大客戶。
當(dāng)然，業(yè)內(nèi)對石墨烯的未來仍然持樂觀態(tài)度。石墨烯的發(fā)現(xiàn)者和諾貝爾獎獲得者Andre Geim教授在今年的一次講座中曾提出，預(yù)計三五年內(nèi)，石墨烯會有令人驚奇的應(yīng)用。在國際石墨烯創(chuàng)新大會上，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，讓消費者對可彎曲的智能手表、可折疊成智能手機的平板電腦、15分鐘便充好電且續(xù)航能力達500千米的電動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。
●微機械剝離法 石墨烯首先由微機械剝離法制得。微機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)點是可以在更低溫度下進行，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，后經(jīng)超聲可形成單層或數(shù)層氧化石墨烯，再用強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、爆炸法以及有機合成法等。
