石墨烯產業(yè)尚待冷靜發(fā)力

黃芳芳

6年前，石墨烯的發(fā)現者安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫獲得了2010年諾貝爾物理學獎。自此，有著“黑金”和超級材料之稱的石墨烯以絢麗的姿態(tài)在全世界掀起了研發(fā)熱潮，尤其是在中國政府的高度重視下，國內的高校、科研院所、企業(yè)、資本都在積極探尋石墨烯背后的機會。

石墨烯開啟二維材料之窗

在科技突飛猛進的今天，如果沒有適宜的材料做支撐，科技難以轉化為理想中的實際成果，更談不上大規(guī)模應用。因而，科技與材料結合的矛盾，深深地困擾著我們。

“我們渴望一種絢麗的超級材料，具有多種優(yōu)異性能的石墨烯帶給人們無限的遐想?！便y基烯碳新材總裁范志明告訴《經濟》記者。石墨烯是由一個碳原子與周圍三個近鄰碳原子結合形成蜂窩狀結構的碳原子單層。2004年，英國曼徹斯特大學教授安德烈·海姆和學生康斯坦丁·諾沃肖洛夫合作，用透明膠帶將石墨烯從石墨中剝離出來。正是它打破了二維材料在常溫壓下不穩(wěn)定的“定論”。

“過去我們研究的都是三維材料，石墨烯為人類打開了二維材料之窗”，這一點甚至比石墨烯本身更具價值，而它往往被忽略了，江南石墨烯研究院院長張朝暉在接受《經濟》記者采訪時表示。目前國外的科研團隊在其他二維材料的研究上投入了很大的人力和物力。盡管國內也有科研團隊在研究其他二維材料，但大部分精力主要集中在石墨烯的研究上。

事實上，石墨烯熱也催生了硫化鉬、黑磷等二維材料的學術熱，中科院山西煤化所石墨烯與新能源材料課題組長陳成猛告訴《經濟》記者，目前石墨烯已進入產業(yè)化軌道，而其他二維材料大多仍停留在實驗室階段。

據統(tǒng)計，我國石墨烯專利和論文位居全球首位，也反映出國內石墨烯的科研熱。張朝暉認為，石墨烯的基礎研究和應用研究并非易事，需要長期、系統(tǒng)性的研究。“目前國內發(fā)表的論文很多，深究起來卻發(fā)現不少論文缺乏系統(tǒng)性?！庇行┛蒲腥藛T可能疲于爭取科研經費，需要不斷地想出新點子，導致基礎研究缺乏連貫性，猶如修了很多斷頭路，對產業(yè)界沒有太大的促進作用。在科研熱的背景下，張朝暉建議科研人員應踏踏實實地做研究，懂得放長線釣大魚的道理。

政策熱推動了石墨烯產業(yè)

國內科研熱也折射出國家政策熱。

習近平總書記曾在兩年內3次考察調研石墨烯，并在參觀英國曼徹斯特大學國家石墨烯研究院時指出，“中國是石墨資源大國，也是石墨烯研究和應用開發(fā)最活躍的國家之一”。

《中國制造2025》、《“納米科技”十三五重點專項》、《國家創(chuàng)新驅動發(fā)展戰(zhàn)略》等多次提到石墨烯。三部委出臺的《關于加快石墨烯產業(yè)創(chuàng)新發(fā)展的若干意見》明確指出，到2020年，要形成完善的石墨烯產業(yè)體系。范志明告訴記者，國內石墨烯熱主要是由國家政策推動的。中國是制造業(yè)大國、材料大國，同時也是石墨大國。提前對學術和產業(yè)進行布局，有可能讓中國在石墨烯領域彎道超車，跨入世界前沿?！斑@是石墨烯被中國列為戰(zhàn)略性新材料的原因之一?！?/p>

國家納米科學中心研究員智林杰告訴《經濟》記者，在發(fā)展石墨烯產業(yè)的同時，可以促進與石墨烯相關聯的其他產業(yè)與技術的進步，具有以點帶面的作用。我國雖是石墨大國，遺憾的是我國石墨產業(yè)的整體技術水平比較落后，至今尚未引起業(yè)界的高度重視。這可能對未來石墨烯的產業(yè)發(fā)展，尤其是高端石墨烯的產業(yè)發(fā)展產生負面影響，也可能導致中國在未來的石墨烯產業(yè)競爭中失去定價權。

國內各省市也在逐漸重視發(fā)展石墨烯產業(yè)。江蘇常州和山東青島是石墨烯產業(yè)發(fā)展較早的兩個城市，已成為兩個國家級的石墨烯產業(yè)化基地。此外，浙江寧波、廣東深圳等城市的起步也較早。目前，石墨烯產業(yè)的發(fā)展正在從沿海向內陸進行蔓延，四川、內蒙古、廣西、寧夏等省區(qū)也在大力發(fā)展石墨烯產業(yè)。

北京在石墨烯領域已經開展了一系列工作。其中北京市科委啟動了《石墨烯科技創(chuàng)新專項（2016-2025）》，力爭在石墨烯材料制備及應用等領域取得重大突破，搶占全球石墨烯科技制高點。此外，北京還在積極籌建北京石墨烯研究院。中關村豐臺科技園正在建設石墨烯產業(yè)園。

高質量石墨烯仍稀缺

在石墨烯的實際應用上，制備技術是關鍵。當初無法大規(guī)模制備石墨烯的困擾已不復存在。

石墨烯材料分為石墨烯粉體和石墨烯薄膜兩種，目前已形成了較為成熟的制備體系，總體品質也在不斷上升。然而，制備兼具高質量、低成本、過程綠色的石墨烯仍存在技術壁壘。陳成猛告訴記者，2012年之前，科研級粉體樣品的成本每克高達上千元。目前采用氧化還原法制備的高品質石墨烯粉體的成本已降至10-50元/克。與過去相比，采用化學法制備石墨烯粉體的價格有了大幅的下降，若替代傳統(tǒng)材料，在價格上仍缺乏競爭力。

智林杰告訴記者，目前普遍采用的化學法制備石墨烯的工藝技術會產生廢液及化學品，存在一定的環(huán)境風險。陳成猛表示，目前主要排放的污染物是廢水，廢氣和廢渣較少，可通過成熟的無害化方式進行處理。再者，石墨烯作為新材料，與傳統(tǒng)的大化工相比，其生產規(guī)模小得多，廢水排量也較小。

總體而言，一般業(yè)界認為，超過10層便不具備石墨烯材料的優(yōu)異特性。如何讓石墨烯剝離得更薄？如何保障石墨烯產品純度，盡量減少其中游離的金屬、灰分及各種雜質，仍是兩道技術難題?！澳壳耙呀鉀Q了石墨烯產量的問題，但制備高質量、品質一致性、低成本的石墨烯，未來仍有大量的工作要做?！?/p>

國家標準有助于產業(yè)正本清源

陳成猛指出，市面上存在以石墨粉、膨脹石墨、炭黑來假冒石墨烯，或者炒概念的偽劣石墨烯的現象，甚至有些企業(yè)虛夸產能，導致石墨烯材料表面的產能過剩?！霸诋a業(yè)發(fā)展初期，質量和效益應該放在首位，而不應好大喜功。”他認為，國家標準的制定將對石墨烯產業(yè)起到正本清源的作用，讓虛假的石墨烯喪失立足之地。

全國納米技術標準化技術委員會納米材料分會秘書長戴石鋒在接受《經濟》記者采訪時表示，我國自2014年9月起，正式開啟石墨烯相關國家標準的制定工作，其中包括倍受行業(yè)廣泛關注的《石墨烯材料的術語、定義及代號》國家標準的制定。經過近兩年國內專家、學者的集體努力，目前石墨烯術語標準已于今年9月正式通過了委員會審查，正進入最后的報批階段。石墨烯術語國家標準有望在2016年年底發(fā)布。

“石墨烯術語國家標準，作為國內首個石墨烯國家標準，我們在科學、嚴謹、普適的基礎上提出石墨烯相關系列術語和定義，希望能夠得到學術界、產業(yè)界的共同認可，力爭使中外專家對這些概念的理解一致，為產業(yè)和學術交流、貿易提供統(tǒng)一的科技術語。”戴石鋒如是說。

事實上，未來石墨烯國家標準的正式問世，不僅有助于用戶和非專業(yè)人士識別真正的石墨烯，更有利于石墨烯產業(yè)的健康發(fā)展。

石墨烯不再是“萬金油”

石墨烯被譽為新材料產業(yè)皇冠上的明珠，因為它集多種辯證的優(yōu)異性能于一身。范志明指出，它既具有超高的強度，又具備良好的柔性。石墨烯是所測量的材料中強度最高的材料，比鋼鐵堅硬200倍。但它像布料一樣柔軟，可以進行彎曲，扭轉成為不同的外形。石墨烯既可以作為導體材料，又可以作為半導體材料。它是已知物體中室溫導電率最高的材料，比最好的導體金屬如金或銅高出幾個數量級。同時，石墨烯還可以通過摻雜，在一定程度上打開帶隙，有望成為取代硅的下一代半導體材料。此外，石墨烯既可以制備成透明的材料，又可以制備成不透明的材料。單層石墨烯的透光性達到了97.7%，而隨著層數的增加，多層石墨烯則為黑色。

正是基于上述優(yōu)點，石墨烯也被喻為“萬能材料”，人們希望它能適用于各個領域，也催生了“石墨烯+”的概念，如“石墨烯+塑料”、“石墨烯+電池”等。陳成猛指出，當前科研界和產業(yè)界形成了一些共識，即石墨烯并非“萬金油”，而是在特定的適用領域才能夠更好地發(fā)揮它的特性。石墨烯正在向新能源、軍事國防、健康醫(yī)療等不同的應用領域滲透，但尚未出現真正成熟的商品?！霸诔夒娙萜鳌щ娪湍?、防腐涂料和功能塑料等傳統(tǒng)領域，石墨烯的價值正逐步顯現并開始獲得市場的認可，比其在微電子芯片等高端領域可能會走得更快?！?/p>

智林杰認為，石墨烯薄膜在國內的規(guī)?；a與應用技術在穩(wěn)步前進，但在目前階段，其性價比仍然難以與市場上已有產品形成有效的競爭。不過在石墨烯薄膜的柔性應用領域已經逐漸在出現一些值得肯定的應用產品，如石墨烯柔性觸摸屏等。在加熱、散熱應用領域，石墨烯存在與現有市場產品沒有明顯競爭優(yōu)勢的問題。不過在某些應用領域，如石墨烯用于紡織品保溫保健功能等產品，逐漸表現出一定的市場價值。

石墨烯產業(yè)仍處于概念期

張朝暉告訴記者，從技術成熟度曲線角度來看，石墨烯還處于向頂峰爬坡階段。因而大家更看重石墨烯這3個字的價值。待越過頂峰后，如何真正解決用戶的需求才逐漸受到重視。

從互聯網技術的發(fā)展規(guī)律來看，2009-2010年互聯網概念達到頂峰，而當時互聯網的速度非常慢?！爱斈稠椉夹g在概念期時，其產品并不好用，企業(yè)和產業(yè)也沒有大規(guī)模地成熟起來，只是人們對它的預期很大”，范志明認為，目前石墨烯產業(yè)仍然處于產業(yè)生命周期的概念期階段。

從石墨烯產業(yè)的發(fā)展規(guī)律來看，未來石墨烯產業(yè)將經歷先熱后冷到再熱的過程。當石墨烯產業(yè)的泡沫被刺破后，整個行業(yè)會冷下來，也會死掉一批企業(yè)。此后一批精英人才將進行新一輪的有效聚集，催生下一輪的產業(yè)熱。在當前階段，范志明建議從業(yè)者應看清產業(yè)的發(fā)展規(guī)律，切忌頭腦發(fā)熱，規(guī)模鋪得過大或步子邁得太急都可能成為“先烈”。

光明的前途，曲折的道路

在2016中國國際石墨烯創(chuàng)新大會上，展覽了品類繁多的石墨烯應用產品，如理療護腰、服裝、散熱器、充電寶、輪胎等。陳成猛指出，目前對于石墨烯的應用仍是改進型產品。石墨烯的潛力和不可替代性并沒有充分發(fā)揮出來，真正殺手級、具有顛覆性的產品仍未出現。

智林杰認為，當前各類石墨烯產品能否真正成為符合市場規(guī)律的商品，還需要時間的檢驗。在具有良好性價比優(yōu)勢的前提下，在應用產品的質量管理、品質控制、性能持久等方面都需要進一步加強研究。他建議，石墨烯的應用開發(fā)應從上游到下游與從下游到上游同時進行，從而更好地實現石墨烯材料與終端產品的無縫對接。

如何讓石墨烯的科學研究和產業(yè)發(fā)展更緊密地結合？張朝暉希望有更多的投資人和企業(yè)了解石墨烯，有動力地去關注石墨烯產業(yè)。只有以企業(yè)為主體，才能讓科學研究成果最后逐步運用到產業(yè)中?！安荒苤竿髮W教授或科研院所的研究人員天天去創(chuàng)業(yè)”，最終要依靠企業(yè)的原動力，科研成果才有更多的機會走向產業(yè)界。

諾貝爾物理獎讓更多的人認識了石墨烯，它從2004年被發(fā)現一路走來12余年，期間已取得了不少成績。當年的碳纖維材料從被發(fā)現到科研實驗，從航天航空領域走向千家萬戶，成就一個商業(yè)傳奇，經歷了三四十年的時間。因而，對于石墨烯材料而言，它還很年輕，需要耐心地呵護與鞭策。