北京石墨烯領(lǐng)域發(fā)展研究

張韡 周航

繼2004年英國曼徹斯特大學(xué)Andre Geim和Kostya Novoselov成功從石墨上剝離石墨烯并于2010年獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，石墨烯用了短短數(shù)年的時(shí)間便完成了從登上歷史舞臺(tái)到走進(jìn)公眾視線的過程。學(xué)術(shù)界、產(chǎn)業(yè)界、金融界甚至各國政府都對(duì)這種二維蜂窩結(jié)構(gòu)單原子層碳材料寄予厚望。由于其具有最薄、最大比表面積、最硬、最抗拉等諸多史上最強(qiáng)性質(zhì)和高導(dǎo)電導(dǎo)熱、生物兼容性、類催化劑能等獨(dú)特性質(zhì)，在眾多領(lǐng)域都可以得到應(yīng)用。

一、全球石墨烯科技研發(fā)簡況

石墨烯概念問世之初，學(xué)界對(duì)其關(guān)注較少，尚無人問津，有數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，2001-2004年期間，石墨烯相關(guān)的學(xué)術(shù)論文，總計(jì)發(fā)表不到40篇，主要來自美國、英國。然而自從2004年石墨烯成功剝離，證實(shí)了二維材料的存在與優(yōu)異性，石墨烯的受關(guān)注度大幅上升，相關(guān)研究也隨之展開。僅2007一年，全世界便有超過4 000篇學(xué)術(shù)文章發(fā)表。2009年起，石墨烯的研究進(jìn)入了高速推進(jìn)的階段。此時(shí)，中國的石墨烯研究也正式走入正軌，論文發(fā)表數(shù)量位居世界前列。2010年石墨烯創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)更是一個(gè)高效催化劑，使石墨烯材料受到了學(xué)術(shù)界、產(chǎn)業(yè)界的熱捧，使諸多物理、化學(xué)、材料、生物、電子領(lǐng)域研究人員趨之若鶩。目前，國際石墨烯研究熱點(diǎn)集中在前沿物理性能探索及石墨烯器件應(yīng)用方面，具體終端應(yīng)用處于探索階段。截至2015年，世界范圍內(nèi)已有4萬余篇石墨烯相關(guān)文獻(xiàn)發(fā)表，其中中國發(fā)表量位居世界第1，超過總量的1/3（見圖1）。

根據(jù)湯森路透社Derwent創(chuàng)新數(shù)據(jù)庫和全球?qū)＠麛?shù)據(jù)庫Patstat數(shù)據(jù)顯示，隨著石墨烯科研期刊的快速增長，過去10年中，石墨烯專利申請(qǐng)的步伐也隨之加快。專利數(shù)量的快速增長始于2011年（達(dá)到2008年專利申請(qǐng)數(shù)量的10倍），并持續(xù)上升。在這爆發(fā)式增長的浪潮中，中國占據(jù)了半壁江山（見圖2、3）。正如諾獎(jiǎng)得主Andrea Geim所說，英美是石墨烯研究方面的先驅(qū)及達(dá)者，但毫無疑問中國是應(yīng)用開發(fā)方面的先行者，石墨烯商業(yè)化的引領(lǐng)者。

目前，美國、英國、日本等全球80多個(gè)國家地區(qū)開展石墨烯材料研發(fā)，近300家公司涉足石墨烯相關(guān)的研究和開發(fā)，其中比較有影響力的企業(yè)主要有IBM、英特爾、三星等公司，重點(diǎn)集中在鋰離子電池、通信電子元件、電子芯片、顯示器件、但多以小批量制備為主，尚未有實(shí)現(xiàn)大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)的報(bào)道。

二、我國石墨烯產(chǎn)業(yè)發(fā)展概況

中國石墨烯及相關(guān)產(chǎn)業(yè)在國家政策的引導(dǎo)，投資項(xiàng)目的助推，企業(yè)轉(zhuǎn)型的迫切需求的三重動(dòng)力促進(jìn)下發(fā)展迅速。

“十二五”期間，石墨烯等新材料產(chǎn)業(yè)已被作為重要的戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)。我國陸續(xù)為石墨烯相關(guān)項(xiàng)目給予政策支持、資金扶助，并通過產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟等組織，助力石墨烯在技術(shù)路線、標(biāo)準(zhǔn)戰(zhàn)略、專利布局、國際合作等方面加速發(fā)展，“十三五”規(guī)劃中更是加大對(duì)于石墨烯等新材料的政策偏移與投入，各地方政府根據(jù)國家總體規(guī)劃紛紛出臺(tái)各地配套政策與措施，推進(jìn)石墨烯科技研究與產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。目前我國石墨烯的研究依然以各高校和科研院所為主力，包括清華大學(xué)、北京大學(xué)、國家納米中心、中國科學(xué)院金屬研究所、中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所（以下簡稱“中科院寧波材料所”）、江南石墨烯研究院等，主要研究方向?yàn)槭┑母咝?、綠色制備，以及石墨烯在各個(gè)功能領(lǐng)域的應(yīng)用（見表1），眾多研究成果占據(jù)了我國絕大部分的石墨烯文章發(fā)表和專利申請(qǐng)數(shù)量，為石墨烯未來的發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。產(chǎn)業(yè)方面，目前我國已成為世界首屈一指的石墨烯生產(chǎn)大國，現(xiàn)有以寧波墨西科技有限公司、重慶墨?？萍加邢薰尽Ⅷ櫦{（東莞）新材料科技有限公司等知名石墨烯生產(chǎn)廠家為首的大量石墨烯生產(chǎn)企業(yè)浮出水面，根據(jù)公開報(bào)道我國石墨烯產(chǎn)能已達(dá)到萬噸級(jí)。

資金推動(dòng)方面，以各地方政府的科技經(jīng)費(fèi)支持為引導(dǎo)，大量社會(huì)資本投入主要支撐石墨烯產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。東旭光電、烯碳新材等眾多上市企業(yè)以及中建材集團(tuán)、中國石油等老牌央企國企，另有華為等行業(yè)巨頭。諸多方面的資本力量投入在很大程度上刺激了石墨烯行業(yè)的飛速擴(kuò)張，為石墨烯創(chuàng)業(yè)企業(yè)孵育以及傳統(tǒng)材料企業(yè)轉(zhuǎn)型提供原動(dòng)力。

三、北京石墨烯及相關(guān)領(lǐng)域發(fā)展研究

北京作為全國科技創(chuàng)新中心，擁有豐富科技資源，是全國石墨烯研究綜合實(shí)力最強(qiáng)的地區(qū)。北京聚集了諸如清華大學(xué)、北京大學(xué)、中國航空發(fā)動(dòng)機(jī)集團(tuán)公司北京航空材料研究院、國家納米科學(xué)中心、北京理工大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、北京化工大學(xué)、中國航發(fā)北京航空材料研究院等一批進(jìn)行石墨烯研究的科研院所，其院所數(shù)量及研究人員數(shù)量占全國半數(shù)以上。同時(shí)，北京在海淀、懷柔、大興、豐臺(tái)等地的創(chuàng)新科技園擁有完整的企業(yè)孵化服務(wù)體系，幫助產(chǎn)業(yè)落地、成果轉(zhuǎn)化，將實(shí)驗(yàn)室中的技術(shù)擴(kuò)大應(yīng)用，孵育出一批活躍的創(chuàng)業(yè)企業(yè)。北京市科委在石墨烯領(lǐng)域也進(jìn)行了長期布局，從“十二五”初期起即布局了相關(guān)科技項(xiàng)目，累計(jì)投入科技經(jīng)費(fèi)數(shù)千萬元，重點(diǎn)支持了石墨烯改性復(fù)合材料、石墨烯薄膜材料，以及石墨烯相關(guān)電子器件的研發(fā)。

科技研發(fā)方面，北京聚集了眾多業(yè)內(nèi)頂尖優(yōu)秀團(tuán)隊(duì)，包括北京大學(xué)劉忠范院士團(tuán)隊(duì)、中國科學(xué)院化學(xué)研究所劉云圻院士團(tuán)隊(duì)、清華大學(xué)魏飛團(tuán)隊(duì)、北京化工大學(xué)戴黎明團(tuán)隊(duì)等數(shù)十個(gè)由各大高校院所院士、教授帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)（見表2），擁有10家石墨烯領(lǐng)域重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和工程技術(shù)中心，在低成本高質(zhì)量石墨烯批量制備、石墨烯復(fù)合材料、透明導(dǎo)電薄膜及超級(jí)電容器制備等領(lǐng)域研發(fā)實(shí)力和技術(shù)水平國內(nèi)領(lǐng)先，單晶石墨烯薄膜制備、石墨烯玻璃、石墨烯海水淡化膜等技術(shù)國際領(lǐng)先。強(qiáng)大的技術(shù)攻關(guān)能力為北京市石墨烯發(fā)展提供了厚實(shí)的技術(shù)儲(chǔ)備和未來探索潛能。

產(chǎn)業(yè)化方面，受京津冀一體化疏解北京非首都功能影響，北京市的一般制造業(yè)逐步外遷，重點(diǎn)發(fā)展“高精尖”產(chǎn)業(yè)。北京現(xiàn)有石墨烯企業(yè)基本為新創(chuàng)企業(yè)，規(guī)模不大，但在石墨烯應(yīng)用方面各有特色優(yōu)勢(shì)。例如，北京旭碳新材料科技有限公司是東旭光電旗下全資子公司，主要產(chǎn)品為石墨烯散熱材料、石墨烯鋰離子電池負(fù)極材料等應(yīng)用產(chǎn)品。擁有來自北京理工大學(xué)的高端技術(shù)團(tuán)隊(duì)作為技術(shù)支撐；北京碳世紀(jì)科技有限公司入駐豐臺(tái)科技園，主要產(chǎn)品為單層石墨烯粉體、潤滑油添加劑、超級(jí)電容等，其在常州已建成噸級(jí)石墨烯材料示范線，并且添加劑產(chǎn)品“碳威”已形成規(guī)模銷售；入駐懷柔科技產(chǎn)業(yè)園的北京北方國能科技有限公司，專注于石墨烯/碳納米管雜化材料的研制和生產(chǎn)，擁有來自清華大學(xué)的頂尖科研團(tuán)隊(duì)，已有南車集團(tuán)、中國航天科工集團(tuán)等意向客戶。此外，北京還有北京豐泰新材料檢測(cè)院有限公司（以下簡稱“豐泰檢測(cè)院”）這類專司石墨烯標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)計(jì)量與應(yīng)用服務(wù)的專業(yè)服務(wù)機(jī)構(gòu)。豐泰檢測(cè)院與英國NPL開展戰(zhàn)略合作，使用NPL檢測(cè)設(shè)備及技術(shù)，作為NPL的窗口企業(yè)，正在進(jìn)行檢測(cè)與服務(wù)平臺(tái)建設(shè)。

國務(wù)院于2016年9月18日印發(fā)《北京加強(qiáng)全國科技創(chuàng)新中心建設(shè)總體方案》，明確了北京加強(qiáng)全國科技創(chuàng)新中心建設(shè)的總體思路、發(fā)展目標(biāo)、重點(diǎn)任務(wù)和保障措施。方案指出要重點(diǎn)突破石墨烯材料等一批關(guān)鍵共性技術(shù)，引領(lǐng)支撐首都“高精尖”經(jīng)濟(jì)發(fā)展。北京在石墨烯領(lǐng)域?qū)⑦M(jìn)一步聚焦石墨烯技術(shù)創(chuàng)新，發(fā)揮技術(shù)源頭作用，并結(jié)合完善的創(chuàng)業(yè)服務(wù)體系及金融資源為石墨烯領(lǐng)域培育重點(diǎn)企業(yè)。

目前北京市科學(xué)技術(shù)委員會(huì)（以下簡稱“北京市科委”）在石墨烯領(lǐng)域開展了如下舉措：

一是率先啟動(dòng)北京市石墨烯科技創(chuàng)新專項(xiàng)。北京市石墨烯科技創(chuàng)新專項(xiàng)計(jì)劃將撥出專門經(jīng)費(fèi)持續(xù)支持石墨烯技術(shù)重大原創(chuàng)性突破與高端應(yīng)用，兼顧基礎(chǔ)前沿與產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新并行，力爭在石墨烯材料制備及應(yīng)用等領(lǐng)域取得重大突破，搶占全球石墨烯科技制高點(diǎn)，形成一批具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的核心技術(shù)。專項(xiàng)啟動(dòng)同時(shí)，北京市科委成立北京市石墨烯科技創(chuàng)新專項(xiàng)專家委員會(huì)。專家委員會(huì)囊括北京大學(xué)劉忠范院士、北京航空材料研究院戴圣龍?jiān)洪L、清華大學(xué)魏飛教授、國家納米中心趙宇亮研究員等技術(shù)專家與企業(yè)代表，為北京市未來10年石墨烯的發(fā)展出謀劃策，并促成北京石墨烯產(chǎn)業(yè)的政產(chǎn)學(xué)研相結(jié)合。目前，正在依托專家委員會(huì)，編制產(chǎn)業(yè)技術(shù)路線圖，形成凝聚行業(yè)共識(shí)的產(chǎn)業(yè)發(fā)展路線。

二是籌備建設(shè)新型科研機(jī)構(gòu)——北京石墨烯研究院。依照北京市科技創(chuàng)新大會(huì)精神，借鑒北京生命科學(xué)研究所建設(shè)模式，北京市科委推動(dòng)籌建北京石墨烯研究院，遴選全球頂尖的領(lǐng)銜科學(xué)家給予持續(xù)穩(wěn)定支持，進(jìn)行用人與評(píng)價(jià)機(jī)制突破創(chuàng)新，探索培育新型科研機(jī)構(gòu)建設(shè)模式，形成與國際接軌、符合國情的科研管理和運(yùn)行機(jī)制。

四、發(fā)展建議

科技發(fā)展是第一生產(chǎn)力，石墨烯技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展也應(yīng)緊扣技術(shù)攻關(guān)。以石墨烯制備技術(shù)為例，石墨烯材料的優(yōu)異性需要完善的制備工藝才可體現(xiàn)。然而目前石墨烯材料的制備技術(shù)尚無法使石墨烯產(chǎn)品性能達(dá)到理想狀態(tài)，且成本過高，阻礙石墨烯產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)化。故石墨烯材料制備工藝的創(chuàng)新突破至關(guān)重要。石墨烯粉體制備需突破大批量綠色制備工藝，重點(diǎn)攻關(guān)非氧化剝離石墨烯粉體制備技術(shù)。高品質(zhì)單晶石墨烯薄膜的生產(chǎn)技術(shù)目前還處于發(fā)展階段，需重點(diǎn)攻克大面積高品質(zhì)單晶石墨烯薄膜制備工藝及無損剝離工藝，以適應(yīng)未來石墨烯半導(dǎo)體、電子元器件的發(fā)展需求。

目前國內(nèi)石墨烯材料在應(yīng)用中扮演“工業(yè)味精”的角色，應(yīng)用面廣而不專精。每一種材料肯定有其最適合發(fā)揮作用的領(lǐng)域，一味地追求全面應(yīng)用既不科學(xué)，也不現(xiàn)實(shí)。針對(duì)這一現(xiàn)狀，學(xué)術(shù)界、產(chǎn)業(yè)界應(yīng)帶頭致力發(fā)掘石墨烯真正的“殺手锏”應(yīng)用，以應(yīng)用帶動(dòng)技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展，攻關(guān)真正符合石墨烯產(chǎn)業(yè)發(fā)展的核心共性技術(shù)。目前IBM、三星等國際企業(yè)已布局完成石墨烯CVD制備、大面積薄膜生產(chǎn)，以及半導(dǎo)體方面完成了專利布局，累積了雄厚的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，為下一代半導(dǎo)體技術(shù)革新及發(fā)展柔性電子器件打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，這是我們可以學(xué)習(xí)借鑒的。

石墨烯產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，除了技術(shù)層面的突破，還需要充分發(fā)揮市場(chǎng)的導(dǎo)向性和政府的引領(lǐng)作用。二者分工協(xié)作，保持共軛并行，積極有效地整合資源、人才、技術(shù)等產(chǎn)業(yè)發(fā)展關(guān)鍵要素。政府應(yīng)加大政策和資金扶持力度，企業(yè)以及社會(huì)資本應(yīng)在資金運(yùn)作及產(chǎn)業(yè)規(guī)劃上積極配合政府，從而形成政產(chǎn)學(xué)研相結(jié)合的健康發(fā)展道路。