石墨烯：魔幻的世紀(jì)產(chǎn)業(yè)

李希平

石墨烯是一種碳納米材料，具有優(yōu)異的光學(xué)、電學(xué)、力學(xué)特性，在材料學(xué)、微納加工、能源、生物醫(yī)學(xué)和藥物傳遞等方面具有重要的應(yīng)用前景，被認(rèn)為是一種未來革命性的“新材料之王”。

在江蘇省常州市舉辦的“石墨烯的現(xiàn)在與未來發(fā)展”圓桌對話上，與會嘉賓曾現(xiàn)場分享了石墨烯產(chǎn)業(yè)的最新趨勢，共同探討中國石墨烯發(fā)展面臨的新挑戰(zhàn)。與會嘉賓認(rèn)為，經(jīng)過十多年的發(fā)展，隨著低成本、高性能、規(guī)?；瘧?yīng)用技術(shù)的突破，今天的石墨烯已成為發(fā)達國家競相布局的焦點。石墨烯在相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用有望催生革命性的技術(shù)進步。

產(chǎn)業(yè)成果爆發(fā)

石墨烯作為戰(zhàn)略新材料，將逐漸向產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)、規(guī)?；瘧?yīng)用過渡。我國石墨烯產(chǎn)業(yè)起步較早，產(chǎn)業(yè)鏈初步形成，整體呈現(xiàn)出蓬勃發(fā)展的勢頭。下游生產(chǎn)企業(yè)已經(jīng)有能力參與到全球石墨烯市場的競爭，并在石墨烯的研究和生產(chǎn)等方面取得較為領(lǐng)先的優(yōu)勢，是我國為數(shù)不多的能與國際先進國家基本處于同步階段的新型產(chǎn)業(yè)。2015年以來，中國石墨烯產(chǎn)業(yè)發(fā)展勢頭迅猛，至2018年石墨烯產(chǎn)業(yè)規(guī)模超過70億元。

石墨烯是從石墨材料中剝離出來的二維碳材料，按照碳原子層數(shù)可分為單層石墨烯、多層石墨烯及石墨烯微片。其中單層石墨烯是指碳原子僅僅在二維平面以六角蜂巢結(jié)構(gòu)排列構(gòu)成的嚴(yán)格單層碳材料，是一種沒有能隙具有線性能量分布的半導(dǎo)體，由于電子可以在晶體中自由移動而賦予單層石墨烯非常好的導(dǎo)電性。

石墨烯被納入我國《新材料產(chǎn)業(yè)十二五發(fā)展規(guī)劃》中鼓勵發(fā)展的新材料，而《中國制造2025》則進一步明確規(guī)劃了未來十年我國石墨烯產(chǎn)業(yè)的發(fā)展路徑，總體目標(biāo)是2020年形成百億元規(guī)模，2025年突破千億元，重點是石墨烯制備實現(xiàn)規(guī)?；?，儲能電化學(xué)器件等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。

全國人大代表、圣泉集團總裁唐一林在接受記者采訪時表示，近幾年是我國石墨烯產(chǎn)業(yè)發(fā)展成果爆發(fā)期，我們要抓活創(chuàng)業(yè)思路，加大創(chuàng)新步伐。2017年由圣泉集團牽頭籌建成立了中國石墨烯改性纖維及應(yīng)用開發(fā)產(chǎn)業(yè)發(fā)展聯(lián)盟。

唐一林介紹，2014年圣泉集團在全球范圍內(nèi)率先從植物秸稈玉米芯纖維素中提取出生物質(zhì)石墨烯，也打通了石墨烯材料到經(jīng)濟消費品的石墨烯產(chǎn)業(yè)鏈；2015年將石墨烯添加到粘膠纖維中，并研發(fā)制造出了基于這種內(nèi)暖新材料而制成的養(yǎng)體內(nèi)衣系列、除臭襪品系列等產(chǎn)品，實現(xiàn)了石墨烯的產(chǎn)業(yè)化和商業(yè)化應(yīng)用，同年與滌綸復(fù)合研發(fā)成功，使石墨烯應(yīng)用在紡織行業(yè)取得了重大的突破；2016年又將生物質(zhì)石墨烯與錦綸、晴綸、氨綸、羽絨棉、維尼綸、聚氨酯、乳膠等全化纖系列材料成功復(fù)合應(yīng)用，研發(fā)出內(nèi)暖絨健康被、內(nèi)暖絨服、石墨烯助眠枕等系列產(chǎn)品，成功打造出了推動中國傳統(tǒng)紡織行業(yè)轉(zhuǎn)型升級的內(nèi)暖纖維、內(nèi)暖烯孔、內(nèi)暖絨三大系列上百個衍生產(chǎn)品。

搶占發(fā)展先機

在力學(xué)方面，石墨烯是人類已知強度最高的材料之一，與單壁碳納米管相當(dāng)，強度是普通鋼材的100倍。此外，石墨烯還具有良好的韌性，是碳纖維的20倍。在熱學(xué)方面，石墨烯是室溫下最好的導(dǎo)熱材料，導(dǎo)熱性能是碳納米管的1.51倍，是銅的13倍。在電學(xué)方面，石墨烯是室溫下最好的導(dǎo)電材料，由于其特殊的能帶結(jié)構(gòu)使常溫下電子運動干擾小，傳輸質(zhì)量大幅提高。石墨烯的電學(xué)性能突出表現(xiàn)在高載流子遷移率及高電流密度，其載流子遷移率相當(dāng)于商用硅片的10倍，電流密度耐性相當(dāng)于銅的100倍。

2018年，在全球主要優(yōu)先權(quán)專利申請件數(shù)排位中，中國、韓國、美國申請件數(shù)名列前三，分別為6714、2892、2632件。石墨烯的研發(fā)主要集中在亞洲及北美洲，其中中國是主要的研發(fā)國家，最早優(yōu)先權(quán)專利申請數(shù)約占全球50%。全球前十位石墨烯專利申請人中，有五位是中國高校，兩位是韓國高校，只有三家是企業(yè)，高校占70%，可見目前石墨烯的研發(fā)主力仍然在高校。從專利數(shù)量看，專利申請數(shù)最多的申請人為韓國三星、韓國高科技學(xué)院及美國IBM，專利申請數(shù)分別為503、223、199件，可見全球石墨烯研發(fā)技術(shù)領(lǐng)先機構(gòu)主要分布在韓國。

全球石墨烯專利最為集中的前五個領(lǐng)域分別為鋰電子電池、生化傳感器、超級電容器、催化劑及導(dǎo)電復(fù)合材料。

全球便攜式鋰電池市場規(guī)模自2012年以來逐年增長，預(yù)計在2022年以前保持每年約10%的平均增長率。其中鋰電池在手機、平板電腦及筆記本方面的需求量將保持8%的年平均增長率， 2017年便攜式鋰電池在手機、平板電腦及筆記本方面的需求量持續(xù)增加。

據(jù)統(tǒng)計，當(dāng)前CVD法生產(chǎn)單層石墨烯的成本約為7歐元/平方厘米，未來幾年內(nèi)隨著石墨烯生產(chǎn)工藝的成熟，生產(chǎn)成本將進一步降低。預(yù)計2020年，CVD法生產(chǎn)單層石墨的成本將降至0.07歐元/平方厘米。石墨烯生產(chǎn)價格的大幅降低，將使石墨烯導(dǎo)電劑突破成本瓶頸，從而以更加合理價格占領(lǐng)下游市場。

根據(jù)石墨烯產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，2015年石墨烯導(dǎo)電劑的價格為230美元/千克，與碳納米管導(dǎo)電劑價格大致相同。但是，石墨烯導(dǎo)電劑價格下降的幅度將遠超于碳納米管導(dǎo)電劑價格的下降幅度，預(yù)計到2020年，石墨烯導(dǎo)電劑價格將降至113美元/千克，碳納米管價格依然維持在200美元/千克的水平，石墨烯導(dǎo)電劑的價格優(yōu)勢逐漸凸顯。

中國對石墨烯產(chǎn)業(yè)的重視與日俱增。經(jīng)過梳理可以發(fā)現(xiàn)，2010年-2019年，我國石墨烯相關(guān)支持政策230多條，其中國家層面共出臺了40多條政策。 2015年11月，工信部、發(fā)改委、科技部聯(lián)合出臺了《關(guān)于加快石墨烯產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展的若干意見。已有20多個省市在“十三五”規(guī)劃等政策中對石墨烯進行了布局，地方政府紛紛通過編制專項規(guī)劃、設(shè)立產(chǎn)業(yè)園、科技專項、產(chǎn)業(yè)基金、出臺扶持政策等，促進石墨烯關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用示范，搶占石墨烯產(chǎn)業(yè)發(fā)展先機。

隨著石墨烯產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，全產(chǎn)業(yè)鏈布局已經(jīng)初見雛形，基本覆蓋了從制備到應(yīng)用研究到石墨烯產(chǎn)品生產(chǎn)，直至下游應(yīng)用的所有環(huán)節(jié)?；拘纬梢员本楹诵?，東部沿海地區(qū)產(chǎn)業(yè)帶和內(nèi)蒙古-黑龍江地區(qū)產(chǎn)業(yè)帶為集聚區(qū)，多地點狀分布式的產(chǎn)業(yè)發(fā)展格局。截至2019年9月底，在工商、民政等部門注冊的與石墨烯相關(guān)的單位數(shù)量達12228家；實際開展石墨烯業(yè)務(wù)的單位約3000多家，其中從事技術(shù)服務(wù)、銷售、投資及檢測的單位占比45.26%，從事石墨烯相關(guān)研發(fā)的單位占比25.73%，設(shè)備和制備的單位占12.66%，下游應(yīng)用方向的單位數(shù)量占16.35%，石墨烯的市場化在逐步展開。從應(yīng)用領(lǐng)域看，基本覆蓋了新能源、儲能、電子顯示、防腐涂料、大健康等多領(lǐng)域。

良好應(yīng)用前景

石墨烯作為未來產(chǎn)業(yè)之一，人們對其在材料領(lǐng)域的革命寄予厚望。日前，被譽為世界石墨烯之父的諾貝爾獎得主安德烈？蓋姆來到位于山東萊西市南墅鎮(zhèn)的青島德通納米技術(shù)有限公司，跟石墨烯領(lǐng)域的企業(yè)坐在一起討論時表示，中國雖然還處于石墨烯時代的前半期，但中國石墨烯產(chǎn)業(yè)已引領(lǐng)世界石墨烯產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。他說，我們從最早經(jīng)歷了石器時代、青銅時代、鐵器時代，以及到現(xiàn)在的硅時代皆是如此。現(xiàn)在隨著石墨烯和二維材料的發(fā)展我們逐漸進入到一個低維材料的新的時代，這些低維材料是跟石墨烯很相似的材料，只有一個原子層的厚度?！爱?dāng)然我們還處于石墨烯時代的前半期，所以我們將看到三五十年后石墨烯真正進入到我們的生活中來改變我們的生活，會在我們生活的很多不同領(lǐng)域發(fā)揮作用。”

安德烈認(rèn)為， 世界上已經(jīng)有許多石墨烯產(chǎn)業(yè)化的公司，即使在中國也有超過500家的公司在做。中國的石墨烯產(chǎn)業(yè)領(lǐng)導(dǎo)著世界石墨烯產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。歐洲和美國的石墨烯領(lǐng)域主要集中在大學(xué)為主的科研方面，還沒有一些正式的產(chǎn)品，在中國由于當(dāng)?shù)卣拇罅χС?，不僅有一些高校的科研工作在圍繞石墨烯展開，還有很多公司實實在在地生產(chǎn)出了產(chǎn)品?！罢闹С址浅Ｖ匾?，正是有了政府的大力支持，才會造就中國的石墨烯產(chǎn)業(yè)在世界上的領(lǐng)導(dǎo)地位?！?/p>

繼華為推出業(yè)界首個高溫長壽命石墨烯基鋰離子電池之后，被視為“新材料之王”的石墨烯在應(yīng)用方面又有新突破。2016年12月6日，全球首個石墨烯高端產(chǎn)業(yè)應(yīng)用——“石墨烯表面波探測技術(shù)”在北京發(fā)布。該技術(shù)可以替代基于傳統(tǒng)SPR技術(shù)的探測系統(tǒng)。此外，石墨烯表面波探測技術(shù)還可以極大提高探測技術(shù)在科技、醫(yī)療、安防等行業(yè)中的應(yīng)用效果，甚至幫助特殊人群完成“不可能完成的任務(wù)”。

我國約占全球石墨烯企業(yè)的3/4，以中小初創(chuàng)企業(yè)為主。截止到2016年8月底，我國從事石墨烯研發(fā)、生產(chǎn)、應(yīng)用等相關(guān)企業(yè)數(shù)量超過400家，約占全球石墨烯企業(yè)數(shù)量的四分之三，主要集中在長三角、珠三角和京津冀魯區(qū)域，寧波、常州、無錫、青島、重慶等地都紛紛設(shè)立了石墨烯產(chǎn)業(yè)園區(qū)。國內(nèi)涉及石墨烯產(chǎn)品研發(fā)的主要以中小企業(yè)和初創(chuàng)企業(yè)為主；同時也有少數(shù)大型公司參與。

“石墨烯+”行動目前已開始實施，主要采取“一條龍”模式，組織推動石墨烯材料及其改性產(chǎn)品的首批次示范應(yīng)用。

根據(jù)中國石墨烯改性纖維及應(yīng)用開發(fā)產(chǎn)業(yè)發(fā)展聯(lián)盟預(yù)測，全球石墨烯應(yīng)用市場將在2020年形成產(chǎn)業(yè)爆發(fā)點，而中國的石墨烯市場將占據(jù)全球石墨烯市場份額的70%以上，在全球石墨烯市場上占據(jù)主導(dǎo)地位。

石墨烯既是最薄的材料，也是最強韌的材料，斷裂強度比最好的鋼材還要高200倍。同時它又有很好的彈性，拉伸幅度能達到自身尺寸的20%。它是目前自然界最薄、強度最高的材料，如果用一塊面積1平方米的石墨烯做成吊床，本身重量不足1毫克便可以承受一只一千克的貓。石墨烯目前最有潛力的應(yīng)用是成為硅的替代品，制造超微型晶體管，用來生產(chǎn)未來的超級計算機。用石墨烯取代硅，計算機處理器的運行速度將會快數(shù)百倍。

據(jù)石墨烯產(chǎn)業(yè)發(fā)展白皮書預(yù)測，到2025年，全球石墨烯的市場規(guī)模將達到21.03億美元。石墨烯的電子應(yīng)用將是這一特定領(lǐng)域的主要貢獻者，其收入的復(fù)合年增長率為38%。中國和世界能夠同步的科學(xué)技術(shù)不多，而石墨烯是我們有望走在前面的一個新產(chǎn)業(yè)，因此值得投入和推廣這一產(chǎn)業(yè)。石墨烯產(chǎn)業(yè)的發(fā)展整體呈現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景，未來產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢將更偏向石墨烯綠色、高質(zhì)量、規(guī)模化制備，多級次多功能組裝集成，未來產(chǎn)業(yè)資源將進一步整合，應(yīng)用在新能源、生物醫(yī)藥、電子信息、航空航天等領(lǐng)域繼續(xù)深化。