盧艷霞

(鄭州師范學(xué)院 化學(xué)化工學(xué)院 ， 河南 鄭州 450001)

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?綜述與述評?

石墨烯研究現(xiàn)狀及產(chǎn)業(yè)化進(jìn)展

盧艷霞

(鄭州師范學(xué)院 化學(xué)化工學(xué)院 ， 河南 鄭州 450001)

介紹了石墨烯的發(fā)展歷程及特點(diǎn)，對石墨烯的制備、改性及功能化修飾的研究進(jìn)展進(jìn)行了總結(jié)，并對國內(nèi)石墨烯產(chǎn)業(yè)化的現(xiàn)狀及存在問題進(jìn)行分析，提出了發(fā)展建議。

石墨烯 ； 制備 ； 改性 ； 產(chǎn)業(yè)化

0 前言

石墨烯(Graphene)是由碳原子組成的只有一層原子厚度的二維蜂窩狀炭質(zhì)穩(wěn)定晶體結(jié)構(gòu)，曾被認(rèn)為是不能穩(wěn)定存在的二維晶體，其厚度只有0.334 nm，也是結(jié)構(gòu)最為簡單的碳材料。常見的石墨材料可以看作由石墨烯層層堆疊而成，因此石墨烯也被視作“單層石墨”。它是構(gòu)筑其他維度碳質(zhì)材料的基本單元，可以包裹起來形成零維的富勒烯，卷起來形成一維的碳納米管，層層堆積形成三維石墨。但Graphene層并不是完全平整的，它具有物質(zhì)微觀狀態(tài)下固有的粗糙性，表面會出現(xiàn)如波浪一般起伏，可能正是這些三維褶皺巧妙地促使二維晶體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定存在。石墨烯自2004年被英國曼徹斯特大學(xué)的教授安德烈·海姆(Andre Geim)等報道后，以其奇特的性能引起了科學(xué)家的廣泛關(guān)注，并迅速成為物理學(xué)、材料科學(xué)和化學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一[1-4]。

被譽(yù)為“21世紀(jì)神奇材料”的石墨烯是目前已知的世上最薄、最堅硬、室溫下導(dǎo)電性最好而且擁有強(qiáng)大靈活性的納米材料，本征石墨烯是一種半金屬、半導(dǎo)體，單層原子結(jié)構(gòu)使石墨烯幾乎呈現(xiàn)透明狀態(tài)，對光的吸收率僅有2.3%。石墨烯的蜂巢結(jié)構(gòu)使其內(nèi)部雜質(zhì)和缺陷都極少，極大程度地減少了電子遷移過程中的散射，促使石墨烯在室溫條件下就具有很高的電子遷移速率，甚至超過15 000 cm2/V·s，比硅高出10倍，也因此成為納米電路的理想材料。石墨烯的電阻率低于銀，室溫下僅10-6Ω·cm。石墨烯納米帶為半導(dǎo)體，呈 Z 字形，能帶隙與寬度成反比[2，4]。特殊的電學(xué)特性使石墨烯在彈道運(yùn)輸晶體管、場發(fā)射器、集成電路、透明電極、傳感器等方面得到了廣泛的應(yīng)用[2，4]。石墨烯具有非常低的約翰遜噪聲( 約翰遜噪聲是由電導(dǎo)體內(nèi)部載流子的熱振動產(chǎn)生的) ，因此石墨烯可以用作場效晶體管的通道。優(yōu)異的電學(xué)性能和低的約翰遜噪聲使石墨烯可用于制作靈敏的傳感器件，而它特殊的二維結(jié)構(gòu)使其全部的體積都暴露在周圍環(huán)境中，可以有效地檢測吸附的分子。高的導(dǎo)電性和透光率使石墨烯在透明電極、觸摸屏、液晶顯示器、有機(jī)太陽能電池、有機(jī)發(fā)光二極管等方面具有很大的應(yīng)用潛力。石墨烯大的比表面積，為運(yùn)載藥物和儲氫提供了充足的空間。因?yàn)樗亩S結(jié)構(gòu)，單層石墨烯的兩面都可以作為分子或功能基團(tuán)依附的基體，通過修飾，可以賦予石墨烯特定的生物活性并改善其生物相容性和膠體穩(wěn)定性，使其在生物醫(yī)學(xué)方面得到很好的應(yīng)用。當(dāng)前，石墨烯已被列為我國現(xiàn)行產(chǎn)業(yè)調(diào)整指導(dǎo)目錄的鼓勵類產(chǎn)品，屬戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)——新能源汽車的關(guān)鍵材料，同時也是《國家知識產(chǎn)權(quán)戰(zhàn)略綱要》中要求超前部署的新材料。雖然石墨烯的應(yīng)用潛力巨大，但石墨烯要想取代已有材料還有很多技術(shù)難題需要解決，未來一段時間如何綜合有效地做好石墨烯的發(fā)展規(guī)劃，將對推動我國石墨烯技術(shù)取得競爭優(yōu)勢起到非常重要的作用。本文將通過分析石墨烯研究現(xiàn)狀及產(chǎn)業(yè)化情況，揭示最新石墨烯相關(guān)技術(shù)創(chuàng)新現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢，從而為我國政府、科研機(jī)構(gòu)與企業(yè)制定科技發(fā)展計劃、開展相關(guān)技術(shù)研發(fā)決策提供參考。

1 研究現(xiàn)狀

據(jù)不完全統(tǒng)計，目前全球已有近300家公司涉足石墨烯研究，包括IBM、英特爾、美國晟碟、陶氏化學(xué)、通用、杜邦等。其中三星、IBM、東芝、韓國科學(xué)技術(shù)研究所、韓國成均館大學(xué)等企業(yè)和高校具有較高競爭力。中國是目前石墨烯研究和應(yīng)用開發(fā)最為活躍的國家之一，也是申請石墨烯專利數(shù)量最多的國家，目前專利已超過2 200項(xiàng)，占全世界的1/3[3，5]。國家自然科學(xué)基金委資助了大量有關(guān)石墨烯的基礎(chǔ)研究項(xiàng)目，國家科技重大專項(xiàng)、國家973計劃也部署了一批重大項(xiàng)目。各級政府也對石墨烯表現(xiàn)出極大的關(guān)注，已經(jīng)初步形成了政府、科研機(jī)構(gòu)、研發(fā)和應(yīng)用企業(yè)協(xié)同創(chuàng)新的政產(chǎn)學(xué)研合作對接機(jī)制。2011年10月，江蘇常州成立了江南石墨烯研究院，是國內(nèi)首個基于石墨烯材料及應(yīng)用的產(chǎn)業(yè)化基地。

1.1 制備方法及改性研究

由于單層或多層石墨烯材料廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域，石墨烯的制備方法成為國內(nèi)外學(xué)者關(guān)注的焦點(diǎn)，各種用于制備石墨烯薄層材料的新技術(shù)層出不窮，并朝著高質(zhì)量、大面積、尺寸可控、層數(shù)可控的方向不斷發(fā)展[6]。目前，應(yīng)用于制備石墨烯薄層材料的方法有以下幾種：外延生長法、化學(xué)氣相沉積法、微機(jī)械剝離法、氧化還原法、電弧法、化學(xué)分散法、有機(jī)合成法、液相分散法等。在石墨烯制備方法方面，尤以化學(xué)氣相沉積法(CVD)相關(guān)專利的申請最多，此種制備方法是近年來發(fā)展起來的制備石墨烯薄膜的新方法，是將一種或幾種含有組成薄膜元素的反應(yīng)物在高溫、氣態(tài)條件下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成固態(tài)物質(zhì)，沉積到高溫固態(tài)基體表面，得到固體材料的一種工藝技術(shù)，具有產(chǎn)量高、生長面積大等優(yōu)點(diǎn)。大量實(shí)驗(yàn)研究證明，借助化學(xué)氣相沉積法可制備高質(zhì)量石墨烯，為石墨烯在柔性電子設(shè)備等方面的應(yīng)用提供新思路[7-9]。

科研工作者通過對石墨烯制備工藝的不斷優(yōu)化和改進(jìn)，來降低石墨烯制備成本，使其優(yōu)異的材料性能得到更廣泛的應(yīng)用，并逐步走向產(chǎn)業(yè)化。北京大學(xué)和香港理工大學(xué)科學(xué)家通過對化學(xué)氣相沉積法的調(diào)整和改進(jìn)，他們將石墨烯薄膜生產(chǎn)的速度提高了150倍。新研究為石墨烯的大規(guī)模應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

相比國外而言，中國科研工作者在提高合成石墨烯水平的同時，更多地把研究精力投入到了產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用方面，對石墨烯進(jìn)行改性、與高分子材料復(fù)合、功能化修飾等。

石墨烯難以分散均勻的缺點(diǎn)，嚴(yán)重制約了其有效利用。化學(xué)功能化是解決石墨烯應(yīng)用中存在各種問題的有效途徑。近年來，國內(nèi)外研究者在石墨烯功能化修飾研究方面進(jìn)行了大量工作，包括共價鍵修飾和非共價鍵修飾[10-11]。前者主要有親核取代反應(yīng)、親電取代反應(yīng)、縮合反應(yīng)和加成反應(yīng)等，親核取代反應(yīng)被認(rèn)為是最有前景的大規(guī)模生產(chǎn)功能化石墨烯的方法。各種類型的脂肪族胺、芳香胺、氨基酸、氨基封端的生物分子、離子液體、小分子聚合物和硅烷復(fù)合物等都已成功用于制備功能化石墨烯。非共價鍵修飾石墨烯主要通過聚合物包覆、表面活性劑(或小分子的芳香族)吸附和卟啉類化合物或生物分子[如 DNA(脫氧核糖核酸)、多肽等]的相互作用來達(dá)到目的的[12]。目前，研究者認(rèn)為這種方法同樣可用于具有相似結(jié)構(gòu)的石墨烯的表面修飾，即可通過采用不同類型的有機(jī)改性劑來修飾石墨烯。

1.2 電子領(lǐng)域的應(yīng)用研究

在電子器件領(lǐng)域，本征石墨烯零帶隙的特點(diǎn)為其在電子器件領(lǐng)域的應(yīng)用帶來了困難, 如漏電流大、開關(guān)比低等；同時獲得p型和n型石墨烯也是其應(yīng)用于電子信息器件的必要條件。科研工作者對單層石墨烯的p型、n型摻雜方法進(jìn)行了詳細(xì)的研究，包括吸附摻雜、晶格摻雜；雙層石墨烯與單層石墨烯相比能帶結(jié)構(gòu)有較大差異，AB堆垛的雙層石墨烯在原始狀態(tài)是零帶隙的半導(dǎo)體。如果能打破這兩層的反向?qū)ΨQ，就可以得到非零帶隙。近年來，經(jīng)過不斷探索，人們發(fā)現(xiàn)通過靜電效應(yīng)摻雜或異質(zhì)化學(xué)摻雜方法可以有效地打開雙層石墨烯帶隙。單層、雙層石墨烯異質(zhì)摻雜可以打開石墨烯帶隙，或構(gòu)造石墨烯 p-n結(jié)，進(jìn)而組裝功能更復(fù)雜的器件。能夠有效摻雜石墨烯的化學(xué)物質(zhì)有很多，來源也很方便，從O2、N2和NH3到各種金屬, 再到有機(jī)溶劑等。摻雜后的石墨烯可以應(yīng)用在燃料電池的電化學(xué)催化劑、場效應(yīng)晶體管、鋰離子電池、電容器和透明電池等方面[13]。但是，由于摻雜效果在空氣中不穩(wěn)定，需要探索更好的摻雜方法，獲得在空氣中穩(wěn)定的p型和n型石墨烯，以拓寬其應(yīng)用范圍。

1.3 復(fù)合材料領(lǐng)域的應(yīng)用研究

在復(fù)合材料領(lǐng)域，因?yàn)槭┦且环N疏松物質(zhì)，在高分子基體中易團(tuán)聚，而且石墨烯本身不親油、不親水，在一定程度上也限制了石墨烯與高分子化合物的復(fù)合，尤其是納米材料復(fù)合。因此，很多學(xué)者對石墨烯的改性進(jìn)行了大量的研究，以提高石墨烯和高分子基體的親和性，從而得到優(yōu)異的復(fù)合效應(yīng)。目前復(fù)合材料的制備方法有原位插層聚合、溶液插層、熔融插層三種，以環(huán)氧樹脂、聚甲基丙烯酸甲酯、聚丙烯、線性低密度聚乙烯、高密度聚乙烯、聚苯乙烯、聚苯硫醚、尼龍、聚苯胺和硅橡膠為基體的石墨烯復(fù)合材料的研究都有所報道[14]。新的復(fù)合材料在保持石墨烯特性的同時，還兼具了優(yōu)異的復(fù)合材料效應(yīng)。被廣泛應(yīng)用于功能薄膜材料、超級電容器電極、鋰電池電極、催化劑、傳感器、生物環(huán)境材料等領(lǐng)域。

1.4 涂料領(lǐng)域的應(yīng)用研究

在涂料領(lǐng)域，科學(xué)家將“石墨烯原子超薄”層作為一種可防止底層金屬腐蝕的防護(hù)涂料來進(jìn)行研究， 他們在銅和鎳中加入石墨烯或機(jī)械地將多層石墨烯轉(zhuǎn)移到銅和鎳表面，并采用電化學(xué)方法來觀察其緩蝕情況。研究表明：兩種方法都有很好的效果。帶多層石墨烯涂層的鎳的腐蝕速度是裸鎳的1/20， 而帶4層轉(zhuǎn)移石墨烯涂層的鎳的腐蝕速度是裸鎳的1/4。石墨烯在導(dǎo)電涂料、防腐涂料、阻燃涂料等涂料體系中均可以大幅提高涂料的綜合性能，如降低涂層厚度，增加對基材的附著力，提升涂料耐磨性，并使涂料具有綠色環(huán)保性。尤其在導(dǎo)電涂料、環(huán)氧富鋅涂料、水性防腐涂料中具有突出的性能展現(xiàn)， 石墨烯必將推動涂料的新一輪產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級[15]。

全球石墨烯技術(shù)相關(guān)研發(fā)工作正處于快速發(fā)展期，隨著未來發(fā)展，其成果會越來越多。目前，我國在該領(lǐng)域的申請量全球第一，且遙遙領(lǐng)先于其他國家，但我國申請人的國外專利申請較少；石墨烯技術(shù)研發(fā)主要集中在石墨烯制備和電子固體器件的制造，中國在石墨烯制備技術(shù)和石墨烯電極制造方面研發(fā)活躍，但是在石墨烯半導(dǎo)體和其他固體器件等方面的應(yīng)用研發(fā)相對較少。

2 產(chǎn)業(yè)化進(jìn)展

歐盟從2013年開始實(shí)施石墨烯旗艦計劃，美國、日本、韓國等都將石墨烯作為未來重點(diǎn)發(fā)展的科技領(lǐng)域。預(yù)計未來5～10年，石墨烯年產(chǎn)能將達(dá)到千噸級。到2020年，石墨烯產(chǎn)業(yè)化規(guī)模將取得突破。其中，新能源市場規(guī)模將突破534億元，復(fù)合材料市場規(guī)模將突破372億元，電子信息行業(yè)市場規(guī)模將突破267億元[16]。 石墨烯研發(fā)成果轉(zhuǎn)化與產(chǎn)業(yè)化發(fā)展迅速，截至目前，相當(dāng)數(shù)量的研發(fā)項(xiàng)目已經(jīng)順利完成并進(jìn)入商業(yè)化準(zhǔn)備期，石墨烯產(chǎn)業(yè)有望進(jìn)入井噴發(fā)展期。

中國在發(fā)展石墨烯產(chǎn)業(yè)上具有多重優(yōu)勢：一是中國石墨烯原料豐富；二是中國有高水平的人才，中國在石墨烯領(lǐng)域的專利數(shù)量占到全世界的40%左右；三是中國有市場優(yōu)勢，市場方資本量充足。中國現(xiàn)在已經(jīng)走在了石墨烯產(chǎn)業(yè)化的前列，涌現(xiàn)出了一大批石墨烯相關(guān)企業(yè)，產(chǎn)業(yè)方向集中在石墨烯的制備以及儲能、觸摸屏和涂層等幾個應(yīng)用領(lǐng)域[17]。石墨烯產(chǎn)業(yè)鏈包括上游原料、中游制品薄膜、粉體和漿料以及下游應(yīng)用市場。目前國內(nèi)已經(jīng)有數(shù)家企業(yè)具備年產(chǎn)百噸級石墨烯的生產(chǎn)能力[18]。2013年7月，中國石墨烯產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟在北京成立。聯(lián)盟的成立有助于整合協(xié)調(diào)產(chǎn)業(yè)資源，建立上下游、產(chǎn)學(xué)研信息、知識產(chǎn)權(quán)等資源共享機(jī)制，提升石墨烯產(chǎn)業(yè)鏈的整體創(chuàng)新水平和競爭力。

2.1 生產(chǎn)企業(yè)

寧波墨西科技有限公司成立于2012年4月，通過引進(jìn)中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所的石墨烯產(chǎn)業(yè)化技術(shù)，于2013年底建成了首期年產(chǎn)300 t石墨烯生產(chǎn)線；2016年2月，改擴(kuò)建項(xiàng)目竣工后，公司將規(guī)模擴(kuò)至500 t/a；裝置供應(yīng)兩大類石墨烯產(chǎn)品：一是100 t/a電子級石墨烯，產(chǎn)品適用于鋰離子電池、超級電容器等新能源領(lǐng)域；二是400t/a普通級石墨烯產(chǎn)品，適用于涂料、塑膠、建材等領(lǐng)域。電子級石墨烯產(chǎn)品供應(yīng)的價格也由原來的3 000元/kg下調(diào)至1 000元/kg，而普通級石墨烯產(chǎn)品的單價僅為700元/kg。常州第六元素材料科技股份有限公司成立于2011年， 2013年11月，其年產(chǎn)100 t氧化石墨(烯)的自動化生產(chǎn)線宣布投產(chǎn)，2014年9月，公司取得德國TUV NORD ISO9001產(chǎn)品質(zhì)量體系認(rèn)證。由中科院重慶研究院與上海南江集團(tuán)合作投資的重慶墨?？萍加邢薰窘ㄓ凶灾髦R產(chǎn)權(quán)的石墨烯生產(chǎn)線，年產(chǎn)單層石墨烯薄膜材料100萬m2，產(chǎn)品應(yīng)用涉及領(lǐng)域包括鋰電池、超級電容器、重防腐工業(yè)涂料、高導(dǎo)熱散熱性涂料、高強(qiáng)度涂料等行業(yè)領(lǐng)域。 鴻納(東莞)新材料科技有限公司于2012年投產(chǎn)全球首條少層石墨烯萬噸級漿料生產(chǎn)線，2013年又推出工程化石墨烯鋰電池應(yīng)用產(chǎn)品，并于2014年獲得著名鋰電池及功能防腐涂料廠家認(rèn)證，開始大批量應(yīng)用，2014年2月26日，其千噸級石墨烯生產(chǎn)線投產(chǎn)，目前又已啟動石墨烯導(dǎo)電、導(dǎo)熱應(yīng)用產(chǎn)品及高容量鋰電池負(fù)極開發(fā)工作。常州二維碳素科技股份有限公司成立于2011年12月，是一家專業(yè)從事大面積石墨烯薄膜及石墨烯觸控模組的研發(fā)、制造的高科技上市企業(yè)，2012年發(fā)布世界首款石墨烯電容式觸摸屏； 2013年建成世界首條年產(chǎn)3萬m2石墨烯薄膜生產(chǎn)線；2014年石墨烯薄膜的生產(chǎn)能力達(dá)到20萬m2并成立石墨烯下游應(yīng)用企業(yè)常州二維光電科技有限公司，專注于石墨烯觸控產(chǎn)品的研發(fā)生產(chǎn)；2015年石墨烯觸控產(chǎn)品在智能穿戴、車載觸控、工業(yè)控制、家電等領(lǐng)域，已實(shí)現(xiàn)千萬元規(guī)模的主營業(yè)務(wù)收入；2015年11月，基于石墨烯的優(yōu)異性能，發(fā)布了世界首款石墨烯壓力觸控傳感器，與傳統(tǒng)壓力傳感器相比，該產(chǎn)品具有超高靈敏性、超高柔韌性及微米級的厚度，可滿足不同的結(jié)構(gòu)設(shè)計要求，使得終端產(chǎn)品的個性化設(shè)計成為可能。廈門凱納石墨烯技術(shù)股份有限公司已經(jīng)具備年產(chǎn)幾十噸石墨烯生產(chǎn)能力，正在規(guī)劃年產(chǎn)2 200 t石墨烯產(chǎn)品生產(chǎn)線。其他還有上海碳源匯谷新材料科技有限公司、濟(jì)寧利特納米技術(shù)有限公司、蘇州恒球石墨烯科技有限公司、南京先豐納米材料科技有限公司、南京鑫韜材料科技有限公司 、廈門凱納石墨烯技術(shù)有限公等諸多公司從事石墨烯的研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化，在產(chǎn)品和技術(shù)上都取得了一定突破，也有小批量的產(chǎn)品供應(yīng)[19-21]。

應(yīng)用方面，中國在粉體領(lǐng)域水平已與國外接近。寧波墨西、東莞鴻納、廈門凱納已經(jīng)開發(fā)出了在鋰電池、涂料/油墨、改性塑料等領(lǐng)域的應(yīng)用產(chǎn)品。2016年4月6日，由江蘇道蓬科技有限公司獨(dú)創(chuàng)的石墨烯防腐防銹涂料通過工信部新產(chǎn)品鑒定，這一產(chǎn)品耐腐蝕達(dá)到3 000 h，比美國重防腐涂料多2 000 h。無錫格菲電子薄膜科技有限公司致力于將石墨烯透明導(dǎo)電薄膜應(yīng)用于觸控傳感器領(lǐng)域。目前格菲已建成年產(chǎn)500萬片的石墨烯觸控產(chǎn)品示范生產(chǎn)線，2014年9月實(shí)現(xiàn)年產(chǎn)2 000萬片石墨烯觸控產(chǎn)品。

2.2 園區(qū)建設(shè)

近兩年，不少地方政府對石墨烯產(chǎn)業(yè)非常重視，許多地方都在建平臺、建基地。據(jù)不完全統(tǒng)計，我國有將近20個石墨烯產(chǎn)業(yè)園已經(jīng)建成或正在建設(shè)之中。青島市政府還設(shè)立了1億元的國內(nèi)首個石墨烯天使投資基金，同時，搭建青島國際石墨烯交易中心，建設(shè)了北方唯一的國家級石墨烯產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新示范基地。目前，青島已吸引石墨烯項(xiàng)目近30個，預(yù)計到2023年，青島石墨烯及先進(jìn)碳材料特色產(chǎn)業(yè)基地產(chǎn)值將突破300億元[22]。

2015年12月8號，天津東麗經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)總公司與中航工業(yè)集團(tuán)、中航工業(yè)集團(tuán)航材院、深圳前海三六三投資管理有限公司簽署中航防護(hù)科技有限公司投資協(xié)議。根據(jù)協(xié)議，天津東麗區(qū)與中航工業(yè)集團(tuán)航材院就產(chǎn)業(yè)化項(xiàng)目達(dá)成合作意向，擬在石墨烯材料的研發(fā)、應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)化方面開展全方位的合作[23]。

黑龍江省出臺了石墨烯產(chǎn)業(yè)三年專項(xiàng)行動計劃(2016-2018年)，計劃在兩年時間里，培育和支持10家具有一定規(guī)模的石墨烯高新技術(shù)企業(yè)，組建黑龍江省石墨烯協(xié)同創(chuàng)新中心，建立石墨烯產(chǎn)品首批應(yīng)用示范風(fēng)險補(bǔ)償機(jī)制，力爭突破石墨新材料產(chǎn)業(yè)前沿技術(shù)；帶動百億產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展[24]。寧波石墨烯技術(shù)創(chuàng)新與產(chǎn)業(yè)中長期發(fā)展規(guī)劃(2014-2023)提出，要在10年內(nèi)，將石墨烯產(chǎn)業(yè)打造成為具有千億級產(chǎn)值規(guī)模的寧波優(yōu)勢與特色產(chǎn)業(yè)群，將寧波打造為全國乃至全球領(lǐng)先的石墨烯技術(shù)創(chuàng)新引領(lǐng)區(qū)、產(chǎn)業(yè)發(fā)展先導(dǎo)區(qū)和應(yīng)用示范先行區(qū)。

2015年12月20日，京津冀石墨烯產(chǎn)業(yè)發(fā)展聯(lián)盟在京成立，未來將形成以河北唐山為中心，跨越京津冀等地區(qū)，集生產(chǎn)、研發(fā)、檢驗(yàn)檢測、融資服務(wù)等為一體的石墨烯產(chǎn)業(yè)集群，形成京津冀戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)高地。預(yù)計到2017年底，將實(shí)現(xiàn)20億元以上的年產(chǎn)值。

3 存在問題及發(fā)展建議

未來5～10年，各行業(yè)對石墨烯的需求量將不斷增加。對石墨烯的近期需求主要來自復(fù)合材料和涂層，集中在汽車、塑料、建筑、金屬、電池、航空以及能源和儲能等領(lǐng)域；中長期需求主要集中在電子和光電領(lǐng)域及儲能領(lǐng)域。中國有著巨大的人才優(yōu)勢、科技優(yōu)勢和市場優(yōu)勢，這幾者的結(jié)合，將使石墨烯產(chǎn)業(yè)在中國有著美好的發(fā)展前景。我國最新的研究成果已成功突破成本難題，制造成本已從5 000元/g降至3元/g，解決了這種材料的量產(chǎn)難題[25]。中國石墨烯產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)盟的2016全球石墨烯產(chǎn)業(yè)研究報告稱，石墨烯產(chǎn)業(yè)發(fā)展目前還處于初級階段，預(yù)計到2020年，全球石墨烯才形成完整產(chǎn)業(yè)鏈，且市場規(guī)模將達(dá)1 000億元，其中中國占比達(dá)50%～80%，將在全球石墨烯行業(yè)中起到主導(dǎo)和核心作用。

3.1 存在問題

①目前石墨烯產(chǎn)業(yè)技術(shù)門檻不高，在中國市場上主要作為添加劑使用，對傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)進(jìn)行修補(bǔ)，但其關(guān)鍵技術(shù)還沒有突破。美歐的研究主要集中在光電器件、傳感器、醫(yī)藥、環(huán)保材料等高端領(lǐng)域，和歐美國家相比，中國投入還顯不足；另一方面，在中國，介入石墨烯領(lǐng)域的多是中小企業(yè)，而歐美很多跨國企業(yè)在涉入，投入力量懸殊。盡管中國的石墨烯研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化都取得了不俗的成就，但是當(dāng)前我國石墨烯行業(yè)發(fā)展也呈現(xiàn)高端產(chǎn)品不足、低端產(chǎn)品“一哄而上”的隱憂。石墨烯產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，地方政府還是要冷靜、理性對待，現(xiàn)在石墨烯的市場應(yīng)用還處在非常初步的階段，不要“一哄而上”。

②我國石墨烯材料正處于從實(shí)驗(yàn)室走向產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵時期，受生產(chǎn)技術(shù)成熟度不高、產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用路徑長等因素制約，石墨烯批量化生產(chǎn)尚未完全實(shí)現(xiàn)。石墨烯作為一種新材料，要真正走向市場，“前景光明，道路曲折”。

③目前國內(nèi)石墨烯市場火熱但魚龍混雜，有的企業(yè)甚至直接將石墨當(dāng)作石墨烯來宣傳、銷售。 石墨烯行業(yè)缺乏國家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。對石墨烯的質(zhì)量、制備工藝、檢測設(shè)備和方法等，都沒有科學(xué)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。這是急需政府部門解決的問題。

3.2 發(fā)展建議

①石墨烯產(chǎn)業(yè)發(fā)展需要實(shí)行政府主導(dǎo)、產(chǎn)學(xué)研用相結(jié)合、企業(yè)為主體的發(fā)展模式。要軍民結(jié)合，努力攻克關(guān)鍵產(chǎn)品規(guī)?；a(chǎn)關(guān)鍵技術(shù)，圍繞石墨烯在航天航空、醫(yī)藥、涂料、新能源等方面的市場需求，早日實(shí)現(xiàn)石墨烯生產(chǎn)儲能材料、導(dǎo)電材料、產(chǎn)熱材料、光電子微電子材料、復(fù)合材料、功能涂料、環(huán)保材料和醫(yī)療診斷用材料的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。

②石墨烯產(chǎn)業(yè)發(fā)展需要整個資源進(jìn)行創(chuàng)新布局，形成集聚效應(yīng)。應(yīng)堅持市場主導(dǎo)、規(guī)劃指導(dǎo)、政策引導(dǎo)相結(jié)合，通過市場化運(yùn)作，鼓勵石墨烯材料生產(chǎn)企業(yè)做大、做優(yōu)、做強(qiáng)，培育領(lǐng)導(dǎo)品牌，提高生產(chǎn)集中度，遏制低水平的“一哄而上”。同時支持石墨烯應(yīng)用開發(fā)企業(yè)開展形式多樣的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)活動，發(fā)揮中小企業(yè)“專精特新”優(yōu)勢，利用石墨烯材料開發(fā)適銷的新產(chǎn)品、新裝備，逐步形成聚集效益，建成以石墨烯為特色的產(chǎn)業(yè)聚集園區(qū)或基地，推動石墨烯產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展。

③產(chǎn)業(yè)發(fā)展要在注重各單位知識產(chǎn)權(quán)保護(hù)的同時，聯(lián)合攻關(guān)、分工合作、協(xié)同創(chuàng)新，避免重復(fù)研究、建設(shè)，充分發(fā)揮各涉石墨烯單位的積極性，實(shí)現(xiàn)全產(chǎn)業(yè)鏈有效銜接，提高石墨烯發(fā)展的產(chǎn)業(yè)化水平，實(shí)現(xiàn)各類產(chǎn)品的綠色、安全、持續(xù)、規(guī)?；a(chǎn)。

④要盡快制定產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)、技術(shù)規(guī)程，應(yīng)用規(guī)程，避免魚目混珠，敗壞石墨烯產(chǎn)業(yè)的聲譽(yù)。

⑤大力開發(fā)石墨烯應(yīng)用市場，同步提高研究、生產(chǎn)、銷售、應(yīng)用企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

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Research Status and Industrialization Progress of Graphene

LU Yanxia

(School of Chemistry and Chemical Engineering , Zhengzhou Normal University , Zhengzhou 450001 , China)

Development course and characteristics of graphene are introduced,the research progress of preparation,modification and functionalization method of graphene are summarized,the industrialization status and problem of graphene at home are analysised,the development suggestion are pointed out.

graphene ; prepration ; modification ; industrialization

2016-09-11

盧艷霞(1968-)，女，副教授，從事化學(xué)化工教學(xué)與科研工作，電話：13733838758。

TB383，TQ342.743

A

1003-3467(2016)11-0007-06