国内外石墨烯产业发展现状研究

郑剑威

摘 要 石墨烯被称为“黑金”、“新材料之王”，是主导第四次工业革命的超级材料之一，已经成为各国争相占领的产业发展制高点。本文总结了石墨烯的制备与应用，以及各国抢占石墨烯产业发展战略制高点途径，为产业发展提供有益借鉴。

关键词 石墨烯 制备 应用 产业

中图分类号：O646 文献标识码：A

1石墨烯的战略意义

石墨烯被称为“黑金”、“新材料之王”。是世界上已知的强度最高、韧性最好、重量最轻、透光率最高、最好的纳米导电材料，集透光性好、导热系数高、电子迁移率高、电阻率低、机械强度高等多种优异性能于一身，因其优异的性能在电子学、光学、磁学、生物医学、催化、储能和传感器等诸多领域，应用广泛，将带来科技产业的革命性变革，是主导第四次工业革命的超级材料之一，石墨烯已经成为各国争相占领的产业发展制高点。

2石墨烯的制备获得与应用

石墨烯是一种由碳原子以sp2杂化方式形成的蜂窝状平面薄膜，是一种只有一个原子层厚度的准二维材料，所以又叫做单原子层石墨。2004年，英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·盖姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫，用微机械剥离法成功从石墨中分离出石墨烯，首次证明单层石墨烯的稳定存在，该方法制备石墨烯的晶体结构比较完整，物理性能相对优良，并获得2010年诺贝尔物理学奖。但是此种方法制备的石墨烯产量低、人力耗费大，且由于强大的范德华力很容易团聚，另此法制备的石墨烯表面没有亲水基，使其在各个领域的应用受限。

石墨烯的制备方法还有溶剂剥离法、气相沉积法（CVD）、碳化硅外延生长法、氧化石墨烯还原法以及相应改良方法等。溶剂剥离法、气相沉积法（CVD）、碳化硅外延生长法同样存在产量低的问题。其中，溶剂剥离法的溶剂选择具有局限性，使得制备过程受限；CVD法工艺复杂，致可重复性差；碳化硅外延生长法制备工艺要求高，不容易得到均匀的石墨烯膜层。目前，石墨烯的主要方法是氧化石墨烯还原法，即先将天然石墨氧化，添加氧化剂得到氧化石墨烯，再通过一定手段将氧化石墨烯还原，从而得到石墨烯。此类方法的成本较低，石墨烯表面亲水基使其应用范围广，但此法制备出来的为多层石墨烯或石墨微晶，非严格意义上的石墨烯，在性能上大打折扣，且制备过程所产废液对环境污染较大。

现阶段，利用石墨烯制备的产品有石墨烯传感器、石墨烯超级电容器、石墨烯触屏、石墨烯半导体和电子元件、石墨烯轮胎、塑料，石墨烯光电子元件、石墨烯显示器，石墨烯薄膜、石墨烯散热材料等等。其中，石墨烯薄膜、石墨烯电池正走向产业化。

3抢占石墨烯产业发展制高点

石墨烯正处于突破转化产品的技术瓶颈关键期，各国政府不断加大石墨烯研发的支持力度，希望能在石墨烯研究和产业化发展中抢占先机。目前，全球已有近百个国家投入石墨烯的研发、生产。美国、欧盟及其成员国、日本和韩国较先开展相关的战略部署，走在了全球石墨烯研究与产业化的前列。

3.1将石墨矿产定位为国家战略资源

石墨烯的主要原材料是石墨。据USGS统计，2013年全球石墨总储量约1.3亿吨矿物量。中国、印度、巴西、墨西哥的石墨储量合计占全球总储量的92.77%，具有占领石墨产业发展制高点的资源竞争力。乌干达等国家已经将石墨矿产定位为战略保护资源，并对开采方式和外资提出了严格的标准。

3.2战略引导石墨烯基础研究

受制于技术瓶颈，目前市场上量产的“石墨烯”绝大部分是氧化石墨烯，掌握能够真正适用于大规模、绿色化、工业化生产的石墨烯制备工艺将成为各国核心竞争力，并且在第四次工业革命进程中占据先导权。美国通过国家基金项目早早布局石墨烯基础研究；日本经济产业省对石墨烯的批量合成进行重点支持；英国更是提出“让石墨烯在英國制造”的口号；韩国更以国家名义联合国内50 多家研究机构和企业组成石墨烯联盟，加强石墨烯的前沿技术。

3.3研发高端石墨烯产品

石墨烯由于其优异的性能，石墨烯已经被开发出许多产品，如石墨烯生物材料，石墨烯超级电容器，石墨烯传感器等等。但因为石墨烯转化为产品的技术瓶颈较多，石墨烯产品还未能全面进入人类生产和生活。目前石墨烯产品相对低端化，如利用墨烯粉末为原料加工的功能涂料、复合材料、电极材料和结构增强型材料。虽然部分已初步产业化，但规模小、技术含量不高、附加值较低。而以石墨烯薄膜为原料的高端产品，如微电子材料和显示屏薄膜材料等，或处于实验室阶段，或处于中试阶段。

3.4建设石墨烯产业集聚区

欧洲和美国的石墨烯领域主要集中在大学为主的科研方面，还没有一些正式的产品甚至是形成产业集聚区。由于中国政府的大力支持，不仅高校科研工作深入开展，更或是很多公司研发产品，并形成产业集聚区。据2018（第四届）中国石墨烯终端应用技术大会报道显示，截至2017年6月，中国拥有石墨烯技术专利、从事相关制备、销售、应用、投资、检测、技术服务的企业数量达到2584家，其中拥有成形石墨烯业务的企业数量为580家，初步形成长三角、珠三角、京津冀、山东、闽皖、西南等石墨烯产业集聚区。其中，江苏2011年在全国率先建立首个基于石墨烯材料及应用的产业化基地，现已诞生5个全球第一，即全球第一款石墨烯手机电容触摸屏、全球第一条年产100吨石墨烯粉体生产线、全球第一家石墨烯研究机构——江南石墨烯研究院、全球第一条3万平方米CVD法石墨烯透明导电薄膜生产线、全球第一款蛋白质分离试剂。与此同时，石墨矿产开采方式落后，石墨利用率低，石墨烯生产工艺落后且盲目扩大产能，而石墨烯应用产品的附加值低、产品同质化严重，中国石墨烯研究和产业发展基本处于产业链和价值链的低端。

4结语

石墨烯是战略必争型产业，未来5-10年全球石墨烯市场将进入高速发展期。中国是石墨矿产大国，石墨烯相关技术研发还处于初期阶段，各国之间尚未拉开距离，此时顶层设计尤为重要。中国应结合中国制造2025战略，牢牢把握国际脉搏，从国家层面制定石墨烯发展方向，并聚焦基础性、战略性、前沿性石墨烯产品技术研发，研究石墨烯技术成熟度路线图，梳理引导企业占据石墨烯产业链的关键环节，切莫急功近利，导致石墨烯同质化低端化竞争。

参考文献

[1] 宋雪健.黑龙江省石墨烯产业发展研究[J].商业经济，201（04）.

[2] 刘朋，闫翠霞等.石墨烯均匀分散问题研究进展[J].材料导报，2016（19）.

[3] 前瞻产业研究院.2018-2023年中国石墨烯行业市场运营现状分析及未来发展前景预测报告[R].2017.