北京石墨烯领域发展研究

 

  继2004年英国曼彻斯特大学Andre Geim 和 Kostya Novoselov 成功从石墨上剥离石墨烯并于2010年获得诺贝尔物理学奖,石墨烯用了短短数年的时间便完成了从登上历史舞台到走进公众视线的过程。学术界、产业界、金融界甚至各国政府都对这种二维蜂窝结构单原子层碳材料寄予厚望。由于其具有最薄、最大比表面积、最硬、最抗拉等诸多史上最强性质和高导电导热、生物兼容性、类催化剂能等独特性质,在众多领域都可以得到应用。

 

  一、全球石墨烯科技研发简况

 

  石墨烯概念问世之初,学界对其关注较少,尚无人问津,有数据统计,2001-2004年期间,石墨烯相关的学术论文,总计发表不到40篇,主要来自美国、英国。然而自从2004年石墨烯成功剥离,证实了二维材料的存在与优异性,石墨烯的受关注度大幅上升,相关研究也随之展开。仅2007年一年,全世界便有超过4 000篇学术文章发表。2009年起,石墨烯的研究进入了高速推进的阶段。此时,中国的石墨烯研究也正式走入正轨,论文发表数量位居世界前列。2010年石墨烯创新性实验获得诺贝尔物理学奖更是一个高效催化剂,使石墨烯材料受到了学术界、产业界的热捧,使诸多物理、化学、材料、生物、电子领域研究人员趋之若鹜。目前,国际石墨烯研究热点集中在前沿物理性能探索及石墨烯器件应用方面,具体终端应用处于探索阶段。截至2015年,世界范围内已有4万余篇石墨烯相关文献发表,其中中国发表量位居世界第1,超过总量的1/3。

 

  根据汤森路透社Derwent创新数据库和全球专利数据库Patstat数据显示,随着石墨烯科研期刊的快速增长,过去10年中,石墨烯专利申请的步伐也随之加快。专利数量的快速增长始于2011年(达到2008年专利申请数量的10倍),并持续上升。在这爆发式增长的浪潮中,中国占据了半壁江山。正如诺奖得主Andrea Geim所说,英美是石墨烯研究方面的先驱及达者,但毫无疑问中国是应用开发方面的先行者,石墨烯商业化的引领者。

 

  目前,美国、英国、日本等全球80多个国家地区开展石墨烯材料研发,近300家公司涉足石墨烯相关的研究和开发,其中比较有影响力的企业主要有IBM、英特尔、三星等公司,重点集中在锂离子电池、通信电子元件、电子芯片、显示器件,但多以小批量制备为主,尚未有实现大规模产业化生产的报道。

 

  二、我国石墨烯产业发展概况

 

  中国石墨烯及相关产业在国家政策的引导,投资项目的助推,企业转型的迫切需求的三重动力促进下发展迅速。

 

  “十二五”期间,石墨烯等新材料产业已被作为重要的战略新兴产业。我国陆续为石墨烯相关项目给予政策支持、资金扶助,并通过产业联盟等组织,助力石墨烯在技术路线、标准战略、专利布局、国际合作等方面加速发展,“十三五”规划中更是加大对于石墨烯等新材料的政策偏移与投入,各地方政府根据国家总体规划纷纷出台各地配套政策与措施,推进石墨烯科技研究与产业化进程。目前我国石墨烯的研究依然以各高校和科研院所为主力,包括清华大学、北京大学、国家纳米中心、中国科学院金属研究所、中国科学院宁波材料技术与工程研究所(以下简称“中科院宁波材料所”)、江南石墨烯研究院等,主要研究方向为石墨烯的高效、绿色制备,以及石墨烯在各个功能领域的应用,众多研究成果占据了我国绝大部分的石墨烯文章发表和专利申请数量,为石墨烯未来的发展奠定了坚实的技术基础。产业方面,目前我国已成为世界首屈一指的石墨烯生产大国,现有以宁波墨西科技有限公司、重庆墨希科技有限公司、鸿纳(东莞)新材料科技有限公司等知名石墨烯生产厂家为首的大量石墨烯生产企业浮出水面,根据公开报道我国石墨烯产能已达到万吨级。

 

  资金推动方面,以各地方政府的科技经费支持为引导,大量社会资本投入主要支撑石墨烯产业的发展。东旭光电、烯碳新材等众多上市企业以及中建材集团、中国石油等老牌央企国企,另有华为等行业巨头。诸多方面的资本力量投入在很大程度上刺激了石墨烯行业的飞速扩张,为石墨烯创业企业孵育以及传统材料企业转型提供原动力。

 

  三、北京石墨烯及相关领域发展研究

 

  北京作为全国科技创新中心,拥有丰富科技资源,是全国石墨烯研究综合实力最强的地区。北京聚集了诸如清华大学、北京大学、中国航空发动机集团公司北京航空材料研究院、国家纳米科学中心、北京理工大学、北京航空航天大学、北京化工大学、中国航发北京航空材料研究院等一批进行石墨烯研究的科研院所,其院所数量及研究人员数量占全国半数以上。同时,北京在海淀、怀柔、大兴、丰台等地的创新科技园拥有完整的企业孵化服务体系,帮助产业落地、成果转化,将实验室中的技术扩大应用,孵育出一批活跃的创业企业。

 

  北京市科委在石墨烯领域也进行了长期布局,从“十二五”初期起即布局了相关科技项目,累计投入科技经费数千万元,重点支持了石墨烯改性复合材料、石墨烯薄膜材料,以及石墨烯相关电子器件的研发。

 

  科技研发方面,北京聚集了众多业内顶尖优秀团队,包括北京大学刘忠范院士团队、中国科学院化学研究所刘云圻院士团队、清华大学魏飞团队、北京化工大学戴黎明团队等数十个由各大高校院所院士、教授带领的团队,拥有10家石墨烯领域重点实验室和工程技术中心,在低成本高质量石墨烯批量制备、石墨烯复合材料、透明导电薄膜及超级电容器制备等领域研发实力和技术水平国内领先,单晶石墨烯薄膜制备、石墨烯玻璃、石墨烯海水淡化膜等技术国际领先。强大的技术攻关能力为北京市石墨烯发展提供了厚实的技术储备和未来探索潜能。

 

  产业化方面,受京津冀一体化疏解北京非首都功能影响,北京市的一般制造业逐步外迁,重点发展“高精尖”产业。北京现有石墨烯企业基本为新创企业,规模不大,但在石墨烯应用方面各有特色优势。例如,北京旭碳新材料科技有限公司是东旭光电旗下全资子公司,主要产品为石墨烯散热材料、石墨烯锂离子电池负极材料等应用产品。拥有来自北京理工大学的高端技术团队作为技术支撑;北京碳世纪科技有限公司入驻丰台科技园,主要产品为单层石墨烯粉体、润滑油添加剂、超级电容等,其在常州已建成吨级石墨烯材料示范线,并且添加剂产品“碳威”已形成规模销售;入驻怀柔科技产业园的北京北方国能科技有限公司,专注于石墨烯/碳纳米管杂化材料的研制和生产,拥有来自清华大学的顶尖科研团队,已有南车集团、中国航天科工集团等意向客户。此外,北京还有北京丰泰新材料检测院有限公司(以下简称“丰泰检测院”)这类专司石墨烯标准检测计量与应用服务的专业服务机构。丰泰检测院与英国NPL开展战略合作,使用NPL检测设备及技术,作为NPL的窗口企业,正在进行检测与服务平台建设。

 

  国务院于2016年9月18日印发《北京加强全国科技创新中心建设总体方案》,明确了北京加强全国科技创新中心建设的总体思路、发展目标、重点任务和保障措施。方案指出要重点突破石墨烯材料等一批关键共性技术,引领支撑首都“高精尖”经济发展。北京在石墨烯领域将进一步聚焦石墨烯技术创新,发挥技术源头作用,并结合完善的创业服务体系及金融资源为石墨烯领域培育重点企业。

 

  目前北京市科学技术委员会(以下简称“北京市科委”)在石墨烯领域开展了如下举措:

 

  一是率先启动北京市石墨烯科技创新专项。北京市石墨烯科技创新专项计划将拨出专门经费持续支持石墨烯技术重大原创性突破与高端应用,兼顾基础前沿与产业技术创新并行,力争在石墨烯材料制备及应用等领域取得重大突破,抢占全球石墨烯科技制高点,形成一批具有自主知识产权的核心技术。专项启动同时,北京市科委成立北京市石墨烯科技创新专项专家委员会。专家委员会囊括北京大学刘忠范院士、北京航空材料研究院戴圣龙院长、清华大学魏飞教授、国家纳米中心赵宇亮研究员等技术专家与企业代表,为北京市未来10年石墨烯的发展出谋划策,并促成北京石墨烯产业的政产学研相结合。目前,正在依托专家委员会,编制产业技术路线图,形成凝聚行业共识的产业发展路线。

 

  二是筹备建设新型科研机构——北京石墨烯研究院。依照北京市科技创新大会精神,借鉴北京生命科学研究所建设模式,北京市科委推动筹建北京石墨烯研究院,遴选全球顶尖的领衔科学家给予持续稳定支持,进行用人与评价机制突破创新,探索培育新型科研机构建设模式,形成与国际接轨、符合国情的科研管理和运行机制。

 

  四、发展建议

 

  科技发展是第一生产力,石墨烯技术产业发展也应紧扣技术攻关。以石墨烯制备技术为例,石墨烯材料的优异性需要完善的制备工艺才可体现。然而目前石墨烯材料的制备技术尚无法使石墨烯产品性能达到理想状态,且成本过高,阻碍石墨烯产品产业化。故石墨烯材料制备工艺的创新突破至关重要。石墨烯粉体制备需突破大批量绿色制备工艺,重点攻关非氧化剥离石墨烯粉体制备技术。高品质单晶石墨烯薄膜的生产技术目前还处于发展阶段,需重点攻克大面积高品质单晶石墨烯薄膜制备工艺及无损剥离工艺,以适应未来石墨烯半导体、电子元器件的发展需求。

 

  目前国内石墨烯材料在应用中扮演“工业味精”的角色,应用面广而不专精。每一种材料肯定有其最适合发挥作用的领域,一味地追求全面应用既不科学,也不现实。针对这一现状,学术界、产业界应带头致力发掘石墨烯真正的“杀手锏”应用,以应用带动技术和产业发展,攻关真正符合石墨烯产业发展的核心共性技术。目前IBM、三星等国际企业已布局完成石墨烯CVD制备、大面积薄膜生产,以及半导体方面完成了专利布局,累积了雄厚的技术经验,为下一代半导体技术革新及发展柔性电子器件打下了坚实的基础,这是我们可以学习借鉴的。

 

  石墨烯产业的发展,除了技术层面的突破,还需要充分发挥市场的导向性和政府的引领作用。二者分工协作,保持共轭并行,积极有效地整合资源、人才、技术等产业发展关键要素。政府应加大政策和资金扶持力度,企业以及社会资本应在资金运作及产业规划上积极配合政府,从而形成政产学研相结合的健康发展道路。

 

  来源:北京新材料发展中心 文/张韡、周航

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