石墨烯如何實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化

  被譽為“萬能材料”的石墨烯，在電子、航天軍工、新能源、新材料等領(lǐng)域有著潛在的巨大應(yīng)用空間，近年頗受學(xué)界、政府、資本的重視與追捧。

2004年，石墨烯首次從石墨中分離得到。十年來，發(fā)達(dá)國家對于石墨烯研究的支持力度不斷增強。據(jù)科技部消息，近期，英國將投資6000萬英鎊成立石墨烯工程創(chuàng)新中心(GEIC)。而在此之前，英國已投資6100萬英鎊創(chuàng)建國家石墨烯研究院。

中國對石墨烯技術(shù)的投入也不菲。2007-2012年，中國國家自然科學(xué)基金委員會對石墨烯項目累計資助經(jīng)費達(dá)到3.30億元，科技部和中國科學(xué)院對石墨烯的累計資助經(jīng)費分別達(dá)到了5915 萬元和4605萬元。

地方政府對石墨烯產(chǎn)業(yè)的興趣也日漸升溫，寧波、常州、無錫、青島、重慶等地紛紛設(shè)立石墨烯產(chǎn)業(yè)園區(qū)。寧波市政府設(shè)立3年共9000萬元財政資金，支持石墨烯產(chǎn)業(yè)初期發(fā)展。

石墨烯問世已十年，梳理當(dāng)前國內(nèi)石墨烯產(chǎn)業(yè)前景及產(chǎn)業(yè)化過程存在的問題，21世紀(jì)宏觀研究院認(rèn)為，其產(chǎn)業(yè)化之路仍停留在導(dǎo)入階段，未實現(xiàn)量產(chǎn)，主要難點在于制備技術(shù)局限、應(yīng)用領(lǐng)域需求未開。

前景：顛覆硅時代?

石墨烯是一種由碳原子構(gòu)成的單層片狀結(jié)構(gòu)的新材料，是世界上已知最薄、最堅硬的納米材料，加上出眾的韌性、導(dǎo)電性及導(dǎo)熱性，石墨烯在復(fù)合材料、觸摸屏、電子器件、儲能電池、顯示器、傳感器、半導(dǎo)體、航天、軍工、生物醫(yī)藥等多個領(lǐng)域具有廣闊的發(fā)展空間。就現(xiàn)狀來看，最有望在觸摸屏、柔性電子器件等領(lǐng)域取得突破。

由于石墨烯應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，一旦實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，下游應(yīng)用領(lǐng)域已有的產(chǎn)業(yè)規(guī)?；A(chǔ)將帶動石墨烯產(chǎn)業(yè)快速增長，全面開花。據(jù)2012年 Graphene Live會議預(yù)測：到2018年全球石墨烯規(guī)模約329億美元，其中能源存儲領(lǐng)域約122億美元，柔性透明電極、柔性導(dǎo)線打印領(lǐng)域約83億美元，散熱管領(lǐng)域約64億美元，太陽能薄膜領(lǐng)域約46億美元，生物醫(yī)藥、催化劑領(lǐng)域約14億美元。算上全產(chǎn)業(yè)鏈?zhǔn)袌鲆?guī)模，未來石墨烯有望達(dá)到萬億級產(chǎn)能規(guī)模。

華為創(chuàng)始人任正非在接受媒體采訪時曾聲稱，這個時代將來最大的顛覆，是石墨烯時代顛覆硅時代。

石墨烯有望打破半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)流傳的摩爾定律，即芯片的集成度每18個月至2年提高一倍，即加工線寬縮小一半。目前通用材料硅的加工極限一般為10納米線寬，而石墨烯尺寸更小，且導(dǎo)電性能更好，電子遷移率更高。由于集成電路的技術(shù)水平和發(fā)展規(guī)模已成為衡量一個國家產(chǎn)業(yè)競爭力和綜合國力的重要標(biāo)志之一，發(fā)展石墨烯產(chǎn)業(yè)在國家戰(zhàn)略層面的意義重大。

目前在石墨烯研究領(lǐng)域，新興經(jīng)濟(jì)體與發(fā)達(dá)國家同處起跑階段。從專利申請數(shù)量來看，中國還具有相當(dāng)?shù)目萍紕?chuàng)新優(yōu)勢。一旦抓住機遇，我國有望在石墨烯的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程方面領(lǐng)先他國，甚至主導(dǎo)這場技術(shù)革命，有利于我國從制造大國轉(zhuǎn)型制造強國。中國知識產(chǎn)權(quán)網(wǎng) (CNIPR)數(shù)據(jù)顯示，截至2014年7月，中國有關(guān)石墨烯專利申請數(shù)量為5442，處于世界首位，是第2名美國申請數(shù)量(2196)的近2.5倍。

現(xiàn)狀：產(chǎn)業(yè)化“攻堅”緩慢

目前石墨烯制備還無法實現(xiàn)達(dá)到產(chǎn)業(yè)化要求的大規(guī)模量產(chǎn)。制備方法的局限導(dǎo)致石墨烯層數(shù)增加、內(nèi)部缺陷的累積，石墨烯的各種優(yōu)異性能將無法體現(xiàn)，因而實現(xiàn)高質(zhì)量、大規(guī)模的石墨烯生產(chǎn)是石墨烯產(chǎn)業(yè)化的基石。

當(dāng)前石墨烯制備有四種主流方法：微機械剝離法、外延生長法、化學(xué)氣相沉淀CVD法和氧化石墨還原法。其中CVD法被認(rèn)為是產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)石墨烯薄膜最具潛力的方法。該方法的生產(chǎn)原料為廣泛存在的碳?xì)浠衔?甲烷、乙醇等)。三星已運用CVD法成功獲得對角長度為30英寸的單層石墨烯。

不過，目前CVD法制備出的石墨烯厚度難以控制，良品率無法保證。此外，CVD法雖然原料廉價，但設(shè)備價格高昂(價格在30-100多萬美元/臺之間)，對于一個尚在產(chǎn)業(yè)化初期的領(lǐng)域來說是一大筆成本。

21世紀(jì)宏觀研究院認(rèn)為，石墨烯的“產(chǎn)業(yè)化困境”在于，一方面，因為受制于制備過程中的高成本和低質(zhì)量，石墨烯目前未實現(xiàn)量產(chǎn);另一方面，產(chǎn)業(yè)鏈下游的應(yīng)用領(lǐng)域還未實現(xiàn)突破，尚未產(chǎn)生規(guī)模化需求。

當(dāng)前我國石墨烯產(chǎn)品主要在科研單位及企業(yè)研發(fā)部門中“自產(chǎn)自銷”?？蒲袉挝慌c企業(yè)對接不暢，研發(fā)機構(gòu)與下游企業(yè)缺乏溝通，石墨烯研發(fā)重基礎(chǔ)科學(xué)而輕實用技術(shù)，導(dǎo)致石墨烯的應(yīng)用領(lǐng)域市場需求未開，沒有一個領(lǐng)域可以實現(xiàn)石墨烯的規(guī)?；瘧?yīng)用。

石墨烯產(chǎn)業(yè)化“破局”之路

按照硅材料產(chǎn)業(yè)的成熟周期為20年來推斷，石墨烯產(chǎn)業(yè)化成熟大約還要5-10年，接下來10年如何“破局”格外關(guān)鍵。

政策利好對于產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程無疑將是“強心劑”，而其重點應(yīng)在于政策引導(dǎo)與財稅支持。工信部發(fā)布的《新材料產(chǎn)業(yè)“十二五”重點產(chǎn)品目錄》收錄了400種重點產(chǎn)品，但沒有石墨烯。不過，石墨烯材料仍有望加入“十三五”新材料的規(guī)劃之中。除了政策指引，政府可以通過成立產(chǎn)業(yè)基金、財稅支持等方式激發(fā)企業(yè)和市場的積極性，撬動更多社會資本投資石墨烯產(chǎn)業(yè)。

同時，也需要警惕資本市場非理性繁榮，加強產(chǎn)業(yè)規(guī)范引導(dǎo)。石墨烯日益成為資本市場中炙手可熱的概念，但目前十余家石墨烯概念股上市公司中主營業(yè)務(wù)為石墨烯的可謂寥寥無幾。“石墨烯粉體”更是常常被拿來與石墨烯相提并論。事實上，石墨烯粉體是從膨脹石墨、氧化石墨的技術(shù)路線發(fā)展而來，是石墨微片的升級產(chǎn)品，層數(shù)大于10層碳原子層。

而根據(jù)由中國石墨烯標(biāo)準(zhǔn)化委員會發(fā)布，于2014年起實施的中國石墨烯第1號標(biāo)準(zhǔn)“石墨烯材料的名詞術(shù)語與定義”，石墨烯材料泛指與石墨烯相關(guān)的、不多于10個碳原子層的二維碳材料。

產(chǎn)業(yè)鏈上游企業(yè)的魚目混珠不但容易引發(fā)資本市場的虛假繁榮，還將削弱應(yīng)用企業(yè)對于國產(chǎn)石墨烯質(zhì)量的信任。這方面亟需政府與行業(yè)協(xié)會加強發(fā)揮行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和正向引導(dǎo)。

宏觀研究院認(rèn)為，處在商業(yè)化臨界點的石墨烯產(chǎn)業(yè)，應(yīng)當(dāng)充分整合產(chǎn)業(yè)鏈上下游資源，重視研發(fā)成果的技術(shù)轉(zhuǎn)移，研發(fā)應(yīng)與市場需求匹配。由于石墨烯有望最早在觸摸屏等應(yīng)用領(lǐng)域取得突破，一旦成功對接石墨烯研發(fā)和移動終端應(yīng)用企業(yè)，石墨烯有望迎來巨大市場需求缺口。

“一分鐘充電”、“彎曲觸摸屏”等概念讓人對石墨烯的應(yīng)用前景充滿信心。在產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程中，應(yīng)加強應(yīng)用企業(yè)與研發(fā)機構(gòu)的互動，推動商業(yè)化。通過政府與行業(yè)協(xié)會的引導(dǎo)，鼓勵下游應(yīng)用企業(yè)持股石墨烯研發(fā)企業(yè)，真正用需求拉動供給。同時，加強產(chǎn)學(xué)研一體化，鼓勵研發(fā)機構(gòu)與應(yīng)用企業(yè)共同探索技術(shù)轉(zhuǎn)移問題，縮短技術(shù)轉(zhuǎn)移周期。