石墨烯產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用步入加速期

■文/王 煦

石墨烯自問世以來便引起了各國的廣泛關(guān)注和積極布局，各國共同推動石墨烯從研究進入應(yīng)用階段。

石墨烯最早于2004年由英國曼徹斯特大學(xué)的兩位科學(xué)家安德烈·蓋姆（Andre Geim）和康斯坦丁·諾沃肖洛夫（Konstantin Novoselov）制備出來，這兩位科學(xué)家也因此獲得了2010年諾貝爾物理學(xué)獎。石墨烯是由碳原子以sp2雜化軌道組成的六角型呈蜂巢晶格結(jié)構(gòu)的二維碳納米材料，形狀可分為單層、雙層和多層，只有一個碳原子的厚度，是目前發(fā)現(xiàn)的厚度最薄、強度最高、結(jié)構(gòu)最致密的材料，且有卓越的電學(xué)、光學(xué)、化學(xué)性能，可以廣泛應(yīng)用于電子材料、散熱材料、環(huán)保監(jiān)測、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。石墨烯自問世以來便引起了各國的廣泛關(guān)注和積極布局，各國共同推動石墨烯從研究進入應(yīng)用階段。

歐盟石墨烯旗艦計劃成效開始顯現(xiàn)

早在2013年，歐盟就將石墨烯列為“未來新興技術(shù)旗艦項目”之一，歐洲委員會計劃在10年間（2013—2023年）提供約10 億歐元的資金，支持石墨烯的研究。石墨烯旗艦項目是歐洲委員會有史以來資助金額最大的研究項目之一，項目目標是實現(xiàn)石墨烯的應(yīng)用和市場化，鞏固歐洲在石墨烯和其他相關(guān)層狀材料技術(shù)領(lǐng)域的全球領(lǐng)導(dǎo)地位，從而確保其國際競爭力。

●孵化出近百種含石墨烯的產(chǎn)品

根據(jù)歐盟“石墨烯旗艦計劃”2020年度報告，在過去7年多的時間里，石墨烯逐步走出實驗室，與產(chǎn)業(yè)應(yīng)用結(jié)合。石墨烯旗艦計劃項目孵化出大約90 種含石墨烯的產(chǎn)品，并分別應(yīng)用于電子器件、航空、能源、生物醫(yī)學(xué)等多個領(lǐng)域，如靈敏度是硅基傳感器10 倍的霍爾效應(yīng)傳感器，以及高音和低音增強的耳機等。

●產(chǎn)業(yè)界的參與度逐步提高

石墨烯旗艦計劃剛開始時，學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的參與比例約為3:1。隨著石墨烯旗艦計劃項目的開展，越來越多的企業(yè)開始參與到項目中，截至2020年，大約有170 家單位參與其中，學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界基本各占一半。石墨烯旗艦計劃的特色之一就是商業(yè)合作伙伴的直接研發(fā)支出可以報銷，這有助于提高產(chǎn)業(yè)界參與的積極性。

未來兩年，與材料領(lǐng)域相關(guān)的新項目是石墨烯旗艦計劃關(guān)注的重點。2021年11月，歐盟宣布準備資助石墨烯及相關(guān)材料領(lǐng)域的10 個新研究項目作為石墨烯旗艦計劃的新合作項目。這10個項目分為基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究兩大類，涉及磁存儲器、光電探測器、新型電池和神經(jīng)接口等方向。其中，基礎(chǔ)研究包含7 個方向，分別是：設(shè)計新的異質(zhì)結(jié)構(gòu)，為自旋電子器件提供新思路；研究石墨烯和其他層狀材料對生物體及環(huán)境的潛在不利影響，重點關(guān)注生物降解的自然機理；研究氮化硼等具有獨特電學(xué)特性的非晶層狀材料；優(yōu)化磁性層狀材料的大規(guī)模制備技術(shù)；利用化學(xué)功能手段調(diào)整和設(shè)計層狀磁性材料；研究光與層狀材料之間的作用，特別是轉(zhuǎn)角雙層石墨烯等具有非凡性能的材料；利用石墨烯增強鋁離子電池性能。應(yīng)用研究包含3 個方向，分別是：研究石墨烯在具有抗病毒特性的涂層中的應(yīng)用；提升石墨烯光子性能，發(fā)展兼容當(dāng)前半導(dǎo)體代工廠的低成本、可擴展技術(shù)；開發(fā)基于石墨烯的神經(jīng)接口，幫助患者恢復(fù)因脊髓損傷而失去的感知和運動功能。

隨著石墨烯制備技術(shù)逐步走出實驗室，產(chǎn)業(yè)化進程加速，未來石墨烯仍處于技術(shù)的成長期，技術(shù)進步將催生巨大的市場空間。

日本進入以企業(yè)為主體研究開發(fā)石墨烯的新階段

日本早期以官學(xué)合作為主推動石墨烯的研究。2007年，日本政府開始資助石墨烯硅材料/器件項目。當(dāng)時，日本科學(xué)技術(shù)振興機構(gòu)支持了石墨烯及器件技術(shù)開發(fā)項目，重點開發(fā)石墨烯材料工藝技術(shù)及能實現(xiàn)大規(guī)模集成的器件技術(shù)。2011年，日本經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)省支持了低碳社會超輕、高輕度創(chuàng)新融合材料項目，重點研發(fā)碳納米管和石墨烯批量合成技術(shù)。在政府支持的引導(dǎo)下，高校和研究機構(gòu)也都投入了大量資金和人才，知名的研發(fā)機構(gòu)包括日本東京大學(xué)、東京工業(yè)大學(xué)、日本半導(dǎo)體能源研究所、日本國立材料研究所等。迄今，日本擁有全球最先進的石墨烯制備技術(shù)，市場化方面也發(fā)展較快，日本企業(yè)在現(xiàn)階段已成為研發(fā)創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的主體，研究主要集中在石墨烯薄膜制備及其在電子器件領(lǐng)域的應(yīng)用等方面。

日本電器公司研制出用于導(dǎo)電添加劑的多孔石墨烯海綿。鑒于石墨烯材料具有良好的導(dǎo)電性和易加工成薄膜的特點，石墨烯可以作為導(dǎo)電添加劑加入鋰離子電池正極中，進而大幅提高電池的導(dǎo)電率和電化學(xué)性能。這一重要的研究方向得到了日本企業(yè)的高度關(guān)注，日本企業(yè)根據(jù)此原理，正在研制基于石墨烯的電極復(fù)合材料。日本電器公司的研究團隊研制出呈蜂窩狀的多孔石墨烯海綿，用作鋰離子正負電極的導(dǎo)電添加劑，以提高電池電極的電子傳導(dǎo)率，降低活性物質(zhì)的電荷轉(zhuǎn)移電阻，提升電池倍率和循環(huán)性能。

日本東麗公司研制出用作導(dǎo)電材料的石墨烯分散液。2021年3月，日本東麗公司的研究人員通過添加獨特的聚合物材料抑制石墨烯之間因相互作用引起的聚集，得到了具有極佳流動性的高濃度超薄石墨烯分散液。這種分散液作為鋰離子電池的導(dǎo)電材料，易與陰極材料混合，提高導(dǎo)電性，能降低反復(fù)充放電過程中的容量損失，與現(xiàn)在用的納米管導(dǎo)電劑相比，電池壽命可延長50%。

英國研發(fā)出連續(xù)大規(guī)模生產(chǎn)石墨烯的新技術(shù)

英國是石墨烯產(chǎn)品的發(fā)源地，也是全球最早開展石墨烯研究開發(fā)的國家之一。

●將石墨烯研發(fā)確定為國家戰(zhàn)略

2011年，英國在《促進增長的創(chuàng)新與研究戰(zhàn)略》中將石墨烯定位為重點發(fā)展的4 項新技術(shù)之一，當(dāng)時投入5 000 萬英鎊支持石墨烯研發(fā)和商業(yè)化應(yīng)用研究。2012年，英國政府又追加了2 150 萬英鎊資助石墨烯的商業(yè)化研究，以推動石墨烯從實驗室走向市場。

●石墨烯大規(guī)模生產(chǎn)的新技術(shù)問世

經(jīng)過10年的努力，2021年3月，英國帝國理工學(xué)院和伯明翰大學(xué)研發(fā)出實時監(jiān)控大規(guī)模生產(chǎn)石墨烯的新技術(shù)，這一具有里程碑意義的技術(shù)為大批量生產(chǎn)可控和可定制的石墨烯提供了技術(shù)保障。這一技術(shù)可以做到控制生產(chǎn)的石墨烯的原子層數(shù)，從而能夠?qū)崟r監(jiān)控石墨烯的質(zhì)量和生產(chǎn)速度。

中國石墨烯產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛

●政策先行,鼓勵支持石墨烯產(chǎn)業(yè)發(fā)展

早在2012年，《新材料產(chǎn)業(yè)“十二五”發(fā)展規(guī)劃》就將石墨烯等材料列為前沿新材料，并將前沿新材料作為發(fā)展重點。之后政府又發(fā)布了一系列政策文件，包括《關(guān)于加快石墨烯產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展的若干意見》《關(guān)于加快新材料產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展的指導(dǎo)意見》《國家創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展戰(zhàn)略綱要》《“十三五”材料領(lǐng)域科技創(chuàng)新專項規(guī)劃》《關(guān)于擴大戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)投資培育壯大新增長點增長極的指導(dǎo)意見》等，這些政策文件對石墨烯的產(chǎn)品標準、技術(shù)規(guī)范、行業(yè)發(fā)展路線、關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新、產(chǎn)業(yè)示范基地等進行了詳盡的頂層設(shè)計，有力推動了中國石墨烯產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

●形成石墨烯產(chǎn)業(yè)集聚發(fā)展的態(tài)勢

目前，中國的石墨烯產(chǎn)業(yè)格局已呈集聚態(tài)勢，主要集中在長三角、珠三角和京津冀魯三大片區(qū)，其他地區(qū)相對分散，體現(xiàn)為碎片化發(fā)展。長三角片區(qū)的石墨烯產(chǎn)業(yè)發(fā)展最早，產(chǎn)業(yè)鏈比較完整。江蘇是中國石墨烯產(chǎn)業(yè)的發(fā)源地，代表性園區(qū)有南京石墨烯創(chuàng)新中心暨產(chǎn)業(yè)園、常州石墨烯科技園區(qū)和無錫石墨烯產(chǎn)業(yè)園區(qū)，代表企業(yè)有常州第六元素、二碳維素等企業(yè)。長三角片區(qū)的集聚發(fā)展模式又被稱為以“江蘇常州為核心，浙江寧波為引領(lǐng)，上海、安徽同步發(fā)展”的模式。珠三角片區(qū)以深圳為核心，產(chǎn)業(yè)主要集中在下游的應(yīng)用市場，在石墨烯產(chǎn)品生產(chǎn)、設(shè)備制造方面占據(jù)優(yōu)勢，在應(yīng)用領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了突破。京津冀魯片區(qū)以北京為核心，開展石墨烯技術(shù)創(chuàng)新與產(chǎn)業(yè)協(xié)同，力圖形成戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)高地。山東省的石墨烯產(chǎn)業(yè)鏈雛形已形成，青島石墨烯產(chǎn)業(yè)園也是中國主要的石墨烯產(chǎn)業(yè)園之一。

未來石墨烯市場空間巨大

隨著石墨烯制備技術(shù)逐步走出實驗室，產(chǎn)業(yè)化進程加速，未來石墨烯仍處于技術(shù)的成長期，技術(shù)進步將催生巨大的市場空間。應(yīng)用領(lǐng)域也會從現(xiàn)在的石墨烯晶體管、石墨烯傳感器、觸摸屏、柔性器件、復(fù)合材料等領(lǐng)域進一步拓寬。未來，石墨烯產(chǎn)品將覆蓋新能源、新材料、電子信息、可穿戴設(shè)備、醫(yī)療健康、熱管理等諸多領(lǐng)域，應(yīng)用推動力也將由大學(xué)和科研機構(gòu)轉(zhuǎn)向企業(yè)。需要指出的是，雖然石墨烯產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，但市場的開拓還需跨越目前高質(zhì)量石墨烯成本高、石墨烯產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用尚停留在初級階段等問題的制約。