石墨烯产业化应用步入加速期

■文/王 煦

石墨烯自问世以来便引起了各国的广泛关注和积极布局，各国共同推动石墨烯从研究进入应用阶段。

石墨烯最早于2004年由英国曼彻斯特大学的两位科学家安德烈·盖姆（Andre Geim）和康斯坦丁·诺沃肖洛夫（Konstantin Novoselov）制备出来，这两位科学家也因此获得了2010年诺贝尔物理学奖。石墨烯是由碳原子以sp2杂化轨道组成的六角型呈蜂巢晶格结构的二维碳纳米材料，形状可分为单层、双层和多层，只有一个碳原子的厚度，是目前发现的厚度最薄、强度最高、结构最致密的材料，且有卓越的电学、光学、化学性能，可以广泛应用于电子材料、散热材料、环保监测、生物医学等领域。石墨烯自问世以来便引起了各国的广泛关注和积极布局，各国共同推动石墨烯从研究进入应用阶段。

欧盟石墨烯旗舰计划成效开始显现

早在2013年，欧盟就将石墨烯列为“未来新兴技术旗舰项目”之一，欧洲委员会计划在10年间（2013—2023年）提供约10 亿欧元的资金，支持石墨烯的研究。石墨烯旗舰项目是欧洲委员会有史以来资助金额最大的研究项目之一，项目目标是实现石墨烯的应用和市场化，巩固欧洲在石墨烯和其他相关层状材料技术领域的全球领导地位，从而确保其国际竞争力。

●孵化出近百种含石墨烯的产品

根据欧盟“石墨烯旗舰计划”2020年度报告，在过去7年多的时间里，石墨烯逐步走出实验室，与产业应用结合。石墨烯旗舰计划项目孵化出大约90 种含石墨烯的产品，并分别应用于电子器件、航空、能源、生物医学等多个领域，如灵敏度是硅基传感器10 倍的霍尔效应传感器，以及高音和低音增强的耳机等。

●产业界的参与度逐步提高

石墨烯旗舰计划刚开始时，学术界和产业界的参与比例约为3:1。随着石墨烯旗舰计划项目的开展，越来越多的企业开始参与到项目中，截至2020年，大约有170 家单位参与其中，学术界和产业界基本各占一半。石墨烯旗舰计划的特色之一就是商业合作伙伴的直接研发支出可以报销，这有助于提高产业界参与的积极性。

未来两年，与材料领域相关的新项目是石墨烯旗舰计划关注的重点。2021年11月，欧盟宣布准备资助石墨烯及相关材料领域的10 个新研究项目作为石墨烯旗舰计划的新合作项目。这10个项目分为基础研究和应用研究两大类，涉及磁存储器、光电探测器、新型电池和神经接口等方向。其中，基础研究包含7 个方向，分别是：设计新的异质结构，为自旋电子器件提供新思路；研究石墨烯和其他层状材料对生物体及环境的潜在不利影响，重点关注生物降解的自然机理；研究氮化硼等具有独特电学特性的非晶层状材料；优化磁性层状材料的大规模制备技术；利用化学功能手段调整和设计层状磁性材料；研究光与层状材料之间的作用，特别是转角双层石墨烯等具有非凡性能的材料；利用石墨烯增强铝离子电池性能。应用研究包含3 个方向，分别是：研究石墨烯在具有抗病毒特性的涂层中的应用；提升石墨烯光子性能，发展兼容当前半导体代工厂的低成本、可扩展技术；开发基于石墨烯的神经接口，帮助患者恢复因脊髓损伤而失去的感知和运动功能。

随着石墨烯制备技术逐步走出实验室，产业化进程加速，未来石墨烯仍处于技术的成长期，技术进步将催生巨大的市场空间。

日本进入以企业为主体研究开发石墨烯的新阶段

日本早期以官学合作为主推动石墨烯的研究。2007年，日本政府开始资助石墨烯硅材料/器件项目。当时，日本科学技术振兴机构支持了石墨烯及器件技术开发项目，重点开发石墨烯材料工艺技术及能实现大规模集成的器件技术。2011年，日本经济产业省支持了低碳社会超轻、高轻度创新融合材料项目，重点研发碳纳米管和石墨烯批量合成技术。在政府支持的引导下，高校和研究机构也都投入了大量资金和人才，知名的研发机构包括日本东京大学、东京工业大学、日本半导体能源研究所、日本国立材料研究所等。迄今，日本拥有全球最先进的石墨烯制备技术，市场化方面也发展较快，日本企业在现阶段已成为研发创新和产业化应用的主体，研究主要集中在石墨烯薄膜制备及其在电子器件领域的应用等方面。

日本电器公司研制出用于导电添加剂的多孔石墨烯海绵。鉴于石墨烯材料具有良好的导电性和易加工成薄膜的特点，石墨烯可以作为导电添加剂加入锂离子电池正极中，进而大幅提高电池的导电率和电化学性能。这一重要的研究方向得到了日本企业的高度关注，日本企业根据此原理，正在研制基于石墨烯的电极复合材料。日本电器公司的研究团队研制出呈蜂窝状的多孔石墨烯海绵，用作锂离子正负电极的导电添加剂，以提高电池电极的电子传导率，降低活性物质的电荷转移电阻，提升电池倍率和循环性能。

日本东丽公司研制出用作导电材料的石墨烯分散液。2021年3月，日本东丽公司的研究人员通过添加独特的聚合物材料抑制石墨烯之间因相互作用引起的聚集，得到了具有极佳流动性的高浓度超薄石墨烯分散液。这种分散液作为锂离子电池的导电材料，易与阴极材料混合，提高导电性，能降低反复充放电过程中的容量损失，与现在用的纳米管导电剂相比，电池寿命可延长50%。

英国研发出连续大规模生产石墨烯的新技术

英国是石墨烯产品的发源地，也是全球最早开展石墨烯研究开发的国家之一。

●将石墨烯研发确定为国家战略

2011年，英国在《促进增长的创新与研究战略》中将石墨烯定位为重点发展的4 项新技术之一，当时投入5 000 万英镑支持石墨烯研发和商业化应用研究。2012年，英国政府又追加了2 150 万英镑资助石墨烯的商业化研究，以推动石墨烯从实验室走向市场。

●石墨烯大规模生产的新技术问世

经过10年的努力，2021年3月，英国帝国理工学院和伯明翰大学研发出实时监控大规模生产石墨烯的新技术，这一具有里程碑意义的技术为大批量生产可控和可定制的石墨烯提供了技术保障。这一技术可以做到控制生产的石墨烯的原子层数，从而能够实时监控石墨烯的质量和生产速度。

中国石墨烯产业发展迅猛

●政策先行,鼓励支持石墨烯产业发展

早在2012年，《新材料产业“十二五”发展规划》就将石墨烯等材料列为前沿新材料，并将前沿新材料作为发展重点。之后政府又发布了一系列政策文件，包括《关于加快石墨烯产业创新发展的若干意见》《关于加快新材料产业创新发展的指导意见》《国家创新驱动发展战略纲要》《“十三五”材料领域科技创新专项规划》《关于扩大战略性新兴产业投资培育壮大新增长点增长极的指导意见》等，这些政策文件对石墨烯的产品标准、技术规范、行业发展路线、关键技术创新、产业示范基地等进行了详尽的顶层设计，有力推动了中国石墨烯产业的发展。

●形成石墨烯产业集聚发展的态势

目前，中国的石墨烯产业格局已呈集聚态势，主要集中在长三角、珠三角和京津冀鲁三大片区，其他地区相对分散，体现为碎片化发展。长三角片区的石墨烯产业发展最早，产业链比较完整。江苏是中国石墨烯产业的发源地，代表性园区有南京石墨烯创新中心暨产业园、常州石墨烯科技园区和无锡石墨烯产业园区，代表企业有常州第六元素、二碳维素等企业。长三角片区的集聚发展模式又被称为以“江苏常州为核心，浙江宁波为引领，上海、安徽同步发展”的模式。珠三角片区以深圳为核心，产业主要集中在下游的应用市场，在石墨烯产品生产、设备制造方面占据优势，在应用领域实现了突破。京津冀鲁片区以北京为核心，开展石墨烯技术创新与产业协同，力图形成战略性新兴产业高地。山东省的石墨烯产业链雏形已形成，青岛石墨烯产业园也是中国主要的石墨烯产业园之一。

未来石墨烯市场空间巨大

随着石墨烯制备技术逐步走出实验室，产业化进程加速，未来石墨烯仍处于技术的成长期，技术进步将催生巨大的市场空间。应用领域也会从现在的石墨烯晶体管、石墨烯传感器、触摸屏、柔性器件、复合材料等领域进一步拓宽。未来，石墨烯产品将覆盖新能源、新材料、电子信息、可穿戴设备、医疗健康、热管理等诸多领域，应用推动力也将由大学和科研机构转向企业。需要指出的是，虽然石墨烯产业发展迅速，但市场的开拓还需跨越目前高质量石墨烯成本高、石墨烯产业化应用尚停留在初级阶段等问题的制约。