鄭劍威

摘 要 石墨烯被稱為“黑金”、“新材料之王”，是主導(dǎo)第四次工業(yè)革命的超級(jí)材料之一，已經(jīng)成為各國爭相占領(lǐng)的產(chǎn)業(yè)發(fā)展制高點(diǎn)。本文總結(jié)了石墨烯的制備與應(yīng)用，以及各國搶占石墨烯產(chǎn)業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略制高點(diǎn)途徑，為產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供有益借鑒。

關(guān)鍵詞 石墨烯 制備 應(yīng)用 產(chǎn)業(yè)

中圖分類號(hào)：O646 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1石墨烯的戰(zhàn)略意義

石墨烯被稱為“黑金”、“新材料之王”。是世界上已知的強(qiáng)度最高、韌性最好、重量最輕、透光率最高、最好的納米導(dǎo)電材料，集透光性好、導(dǎo)熱系數(shù)高、電子遷移率高、電阻率低、機(jī)械強(qiáng)度高等多種優(yōu)異性能于一身，因其優(yōu)異的性能在電子學(xué)、光學(xué)、磁學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、催化、儲(chǔ)能和傳感器等諸多領(lǐng)域，應(yīng)用廣泛，將帶來科技產(chǎn)業(yè)的革命性變革，是主導(dǎo)第四次工業(yè)革命的超級(jí)材料之一，石墨烯已經(jīng)成為各國爭相占領(lǐng)的產(chǎn)業(yè)發(fā)展制高點(diǎn)。

2石墨烯的制備獲得與應(yīng)用

石墨烯是一種由碳原子以sp2雜化方式形成的蜂窩狀平面薄膜，是一種只有一個(gè)原子層厚度的準(zhǔn)二維材料，所以又叫做單原子層石墨。2004年，英國曼徹斯特大學(xué)物理學(xué)家安德烈·蓋姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫，用微機(jī)械剝離法成功從石墨中分離出石墨烯，首次證明單層石墨烯的穩(wěn)定存在，該方法制備石墨烯的晶體結(jié)構(gòu)比較完整，物理性能相對優(yōu)良，并獲得2010年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。但是此種方法制備的石墨烯產(chǎn)量低、人力耗費(fèi)大，且由于強(qiáng)大的范德華力很容易團(tuán)聚，另此法制備的石墨烯表面沒有親水基，使其在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用受限。

石墨烯的制備方法還有溶劑剝離法、氣相沉積法（CVD）、碳化硅外延生長法、氧化石墨烯還原法以及相應(yīng)改良方法等。溶劑剝離法、氣相沉積法（CVD）、碳化硅外延生長法同樣存在產(chǎn)量低的問題。其中，溶劑剝離法的溶劑選擇具有局限性，使得制備過程受限；CVD法工藝復(fù)雜，致可重復(fù)性差；碳化硅外延生長法制備工藝要求高，不容易得到均勻的石墨烯膜層。目前，石墨烯的主要方法是氧化石墨烯還原法，即先將天然石墨氧化，添加氧化劑得到氧化石墨烯，再通過一定手段將氧化石墨烯還原，從而得到石墨烯。此類方法的成本較低，石墨烯表面親水基使其應(yīng)用范圍廣，但此法制備出來的為多層石墨烯或石墨微晶，非嚴(yán)格意義上的石墨烯，在性能上大打折扣，且制備過程所產(chǎn)廢液對環(huán)境污染較大。

現(xiàn)階段，利用石墨烯制備的產(chǎn)品有石墨烯傳感器、石墨烯超級(jí)電容器、石墨烯觸屏、石墨烯半導(dǎo)體和電子元件、石墨烯輪胎、塑料，石墨烯光電子元件、石墨烯顯示器，石墨烯薄膜、石墨烯散熱材料等等。其中，石墨烯薄膜、石墨烯電池正走向產(chǎn)業(yè)化。

3搶占石墨烯產(chǎn)業(yè)發(fā)展制高點(diǎn)

石墨烯正處于突破轉(zhuǎn)化產(chǎn)品的技術(shù)瓶頸關(guān)鍵期，各國政府不斷加大石墨烯研發(fā)的支持力度，希望能在石墨烯研究和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展中搶占先機(jī)。目前，全球已有近百個(gè)國家投入石墨烯的研發(fā)、生產(chǎn)。美國、歐盟及其成員國、日本和韓國較先開展相關(guān)的戰(zhàn)略部署，走在了全球石墨烯研究與產(chǎn)業(yè)化的前列。

3.1將石墨礦產(chǎn)定位為國家戰(zhàn)略資源

石墨烯的主要原材料是石墨。據(jù)USGS統(tǒng)計(jì)，2013年全球石墨總儲(chǔ)量約1.3億噸礦物量。中國、印度、巴西、墨西哥的石墨儲(chǔ)量合計(jì)占全球總儲(chǔ)量的92.77%，具有占領(lǐng)石墨產(chǎn)業(yè)發(fā)展制高點(diǎn)的資源競爭力。烏干達(dá)等國家已經(jīng)將石墨礦產(chǎn)定位為戰(zhàn)略保護(hù)資源，并對開采方式和外資提出了嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)。

3.2戰(zhàn)略引導(dǎo)石墨烯基礎(chǔ)研究

受制于技術(shù)瓶頸，目前市場上量產(chǎn)的“石墨烯”絕大部分是氧化石墨烯，掌握能夠真正適用于大規(guī)模、綠色化、工業(yè)化生產(chǎn)的石墨烯制備工藝將成為各國核心競爭力，并且在第四次工業(yè)革命進(jìn)程中占據(jù)先導(dǎo)權(quán)。美國通過國家基金項(xiàng)目早早布局石墨烯基礎(chǔ)研究；日本經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省對石墨烯的批量合成進(jìn)行重點(diǎn)支持；英國更是提出“讓石墨烯在英國制造”的口號(hào)；韓國更以國家名義聯(lián)合國內(nèi)50 多家研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)組成石墨烯聯(lián)盟，加強(qiáng)石墨烯的前沿技術(shù)。

3.3研發(fā)高端石墨烯產(chǎn)品

石墨烯由于其優(yōu)異的性能，石墨烯已經(jīng)被開發(fā)出許多產(chǎn)品，如石墨烯生物材料，石墨烯超級(jí)電容器，石墨烯傳感器等等。但因?yàn)槭┺D(zhuǎn)化為產(chǎn)品的技術(shù)瓶頸較多，石墨烯產(chǎn)品還未能全面進(jìn)入人類生產(chǎn)和生活。目前石墨烯產(chǎn)品相對低端化，如利用墨烯粉末為原料加工的功能涂料、復(fù)合材料、電極材料和結(jié)構(gòu)增強(qiáng)型材料。雖然部分已初步產(chǎn)業(yè)化，但規(guī)模小、技術(shù)含量不高、附加值較低。而以石墨烯薄膜為原料的高端產(chǎn)品，如微電子材料和顯示屏薄膜材料等，或處于實(shí)驗(yàn)室階段，或處于中試階段。

3.4建設(shè)石墨烯產(chǎn)業(yè)集聚區(qū)

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)品甚至是形成產(chǎn)業(yè)集聚區(qū)。由于中國政府的大力支持，不僅高?？蒲泄ぷ魃钊腴_展，更或是很多公司研發(fā)產(chǎn)品，并形成產(chǎn)業(yè)集聚區(qū)。據(jù)2018（第四屆）中國石墨烯終端應(yīng)用技術(shù)大會(huì)報(bào)道顯示，截至2017年6月，中國擁有石墨烯技術(shù)專利、從事相關(guān)制備、銷售、應(yīng)用、投資、檢測、技術(shù)服務(wù)的企業(yè)數(shù)量達(dá)到2584家，其中擁有成形石墨烯業(yè)務(wù)的企業(yè)數(shù)量為580家，初步形成長三角、珠三角、京津冀、山東、閩皖、西南等石墨烯產(chǎn)業(yè)集聚區(qū)。其中，江蘇2011年在全國率先建立首個(gè)基于石墨烯材料及應(yīng)用的產(chǎn)業(yè)化基地，現(xiàn)已誕生5個(gè)全球第一，即全球第一款石墨烯手機(jī)電容觸摸屏、全球第一條年產(chǎn)100噸石墨烯粉體生產(chǎn)線、全球第一家石墨烯研究機(jī)構(gòu)——江南石墨烯研究院、全球第一條3萬平方米CVD法石墨烯透明導(dǎo)電薄膜生產(chǎn)線、全球第一款蛋白質(zhì)分離試劑。與此同時(shí)，石墨礦產(chǎn)開采方式落后，石墨利用率低，石墨烯生產(chǎn)工藝落后且盲目擴(kuò)大產(chǎn)能，而石墨烯應(yīng)用產(chǎn)品的附加值低、產(chǎn)品同質(zhì)化嚴(yán)重，中國石墨烯研究和產(chǎn)業(yè)發(fā)展基本處于產(chǎn)業(yè)鏈和價(jià)值鏈的低端。

4結(jié)語

石墨烯是戰(zhàn)略必爭型產(chǎn)業(yè)，未來5-10年全球石墨烯市場將進(jìn)入高速發(fā)展期。中國是石墨礦產(chǎn)大國，石墨烯相關(guān)技術(shù)研發(fā)還處于初期階段，各國之間尚未拉開距離，此時(shí)頂層設(shè)計(jì)尤為重要。中國應(yīng)結(jié)合中國制造2025戰(zhàn)略，牢牢把握國際脈搏，從國家層面制定石墨烯發(fā)展方向，并聚焦基礎(chǔ)性、戰(zhàn)略性、前沿性石墨烯產(chǎn)品技術(shù)研發(fā)，研究石墨烯技術(shù)成熟度路線圖，梳理引導(dǎo)企業(yè)占據(jù)石墨烯產(chǎn)業(yè)鏈的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，切莫急功近利，導(dǎo)致石墨烯同質(zhì)化低端化競爭。

參考文獻(xiàn)

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