国内外石墨烯技术和产业发展现状及对策建议

国内外石墨烯技术和产业发展现状及对策建议

一、石墨烯简介

石墨烯（Graphene）命名来自英文的graphite（石墨）＋-ene（烯类结尾），又称单层石墨，是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜（图1），是只有一个碳原子厚的二维材料，其结构非常稳定；随着所连接的碳原子数量不断增多，这个二维的碳分子平面不断扩大，分子也不断变大。

图1　石墨烯分子结构图

石墨烯具有以下显著特性:

（1）超薄性:单层石墨烯只有一个碳原子的厚度（0.335纳米），1毫米厚石墨中将近有150万层左右的石墨烯。

（2）超高强度:石墨烯的硬度比金刚石还高，20万片石墨烯叠加到一根头发丝厚度，其硬度是钢铁的200倍。

（3）超透明性:石墨烯只吸收2.3%的光，几乎完全透明，同时又拥有很好的韧性，可弯曲。

（4）超导电性:目前世上电阻率最小的材料，是最理想的电极和半导体材料。

（5）超导热性:石墨烯的导热系数高达5300 W/m·K。

（6）超大比表面积:理想的单层石墨烯的比表面积能够达到2630 m²/g，而普通的活性炭的比表面积为1500 m²/g。

二、石墨烯应用前景

石墨烯的高强度、高导电性及传热性等特性能够使其在航天、锂离子电池、超级电容器、半导体、生物、新能源等多领域有潜在应用。

“石墨烯将彻底改变21世纪。”石墨烯“诞生地”曼彻斯特大学的科学家们预言。中国科学院预计，到2024年前后，石墨烯器件可望替代CMOS（互补金属氧化物半导体）器件，应用领域包括纳电子器件、光电化学电池、超轻型飞机材料等。

“当前世界石墨烯研发领域已形成了一种新材料发现、物性研究、快速转化为工业化成果的模式，能将实验室的研究成果迅速转化为技术成果，并应用于实际生产生活。”中国科学院物理研究所高鸿钧研究员评价说:“这对国民经济的可持续发展和国防安全将产生深远影响，是一个对国家有重大战略意义的研究方向。”

石墨烯具有广阔的市场前景和巨大的经济效益。目前，纯石墨烯的市场价格为每克千元以上。仅就电子行业而言，全球每年半导体晶硅的需求量在2500吨左右，石墨烯如果替代十分之一的晶硅制成高端集成电路，市场容量至少在5000亿元以上；全球每年负极材料的需求量在2.5万吨以上，并保持20%以上增长。石墨烯作为负极材料应用在十分之一的锂离子电池中，其需求量也在250吨以上。2010年全球超级电容市场规模在50亿美元，并保持着20%的增长率，随着未来超级电容器的放量，石墨烯的应用空间巨大。

数据显示，2013年全球对手机触摸屏的需求量大概在9.65亿片，产值将超过130亿美元。到2015年，平板电脑对大尺寸触摸屏的需求也将达到2.3亿片。这为石墨烯的应用提供了广阔的市场。

三、石墨烯产业技术瓶颈

层数超过单层的石墨烯一般称为石墨烯微片，层数介于2～10层的称为寡层石墨烯（Few-Graphene），层数多于10层且介于5～10纳米厚度的称为石墨烯纳米片Graphene Nanoplatelets或Graphene Nanosheets。石墨烯微片因其为石墨烯层状堆积体而保持了石墨原有的平面型碳六元环共轭晶体结构，具有石墨烯的部分特性，如优异的高强度、导电、导热性能，以及良好的润滑、耐高温和抗腐蚀特性等。

虽然国内多地纷纷开建石墨烯产品生产线，但其生产采用的基本是石墨烯微片。

目前单层石墨烯价格每克超过千元，由于石墨烯过高的制造成本，使其主要处在研发阶段和应用探索阶段，要真正地实现石墨烯大规模的产业化应用，必须解决石墨烯的制造成本与大尺寸制造等处理工艺难题。随着石墨烯批量化生产和大尺寸等难题的突破，石墨烯产业化步伐将逐步加快。

四、国内外石墨烯技术发展情况

（一）石墨烯制备方法

石墨烯的制备合成方法主要有两类:机械方法和化学方法。机械方法包括微机械分离法、取向附生法和加热SiC的方法；化学方法包括化学还原法与化学解理法。

（二）石墨烯技术发展阶段

石墨烯专利数据（截至2013年3月31日）分析显示，2004年前为石墨烯相关专利技术的萌芽阶段；随后石墨烯相关专利技术开始进入技术成长阶段；从2008年开始至今，石墨烯专利技术正处于快速成长阶段（见图2）。

图2　世界石墨烯专利申请年度变化

（三）石墨烯技术研发情况

目前全球有200多家公司涉及石墨烯的相关研究和开发，其中不乏IBM、三星等科技巨头。经检索ORBIT专利信息平台，截至2013年3月底，中国和美国石墨烯相关专利家族分别为2713件和1140件，韩国和日本紧随，分别为822件和486件（图3）。在专利数量上，中国和美国遥遥领先。虽然全球最大的石墨烯相关专利持有机构是三星公司，但在全球石墨烯相关专利持有机构前10名中我国占8个（表1）。

中国与美国、日本、韩国、欧盟等相比，对石墨烯的研究起步相对较晚，但近两年来中国开始进入了研究活跃期。

图3 　各国石墨烯相关专利申请情况

表1　世界前10名石墨烯相关专利持有机构

（四）石墨烯专利热点技术领域

石墨烯IPC（国际专利分类法）分类前15名情况见表2。

表2　石墨烯IPC分类前15名

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专利分析显示，石墨烯热点技术领域包括:1.石墨烯的制备，例如化学气相沉积法等；2.石墨烯用作锂离子电池、燃料电池的电极材料等；3.石墨烯用于制备薄膜晶体管；4.石墨烯用于制作存储器件等。随着石墨烯制备技术的发展以及石墨烯样品质量的不断提高，关于石墨烯的光学性质、力学性质、热学性质等的研究也不断增多。

目前，国际上石墨烯的研究主要分布在高分子物理学、材料科学以及应用物理学等领域，研究的热点主要在材料的导电性、导热性、石墨烯的制备研究及纳米材料研究等方向。中国在石墨烯方面的研究主要分布在材料科学、物理化学、纳米技术、应用物理学以及高分子物理学等领域，研究的热点主要在石墨烯纳米复合材料、石墨烯制备与石墨烯电极等应用方向。

多年来，我国在石墨烯领域特别是材料生长和石墨烯制备方法方面已取得了突破性进展，研究水平也进入国际先进行列，但石墨烯相关技术的研发主体仍然是大学和科研机构。企业虽然已经申请了一定数量的石墨烯相关专利，但研发力量较为薄弱，也非常分散。另外，石墨烯专利分析表明，全球石墨烯各主要技术国家、地区的相关机构都竞相到我国为其石墨烯相关专利申请保护。

五、国外主要国家和地区石墨烯技术产业资助情况

石墨烯的研究和产业化发展持续升温，世界主要石墨烯技术国家都发布或资助了一系列相关研究计划、项目，大力促进本国石墨烯技术研究及其产业发展，详见表3。

表3　国外主要国家和地区石墨烯技术产业资助情况

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六、我国石墨烯产业政策

我国石墨在世界上储量第一、产量第一、销量第一、品种最全。其中，石墨矿产储量为20亿吨，占世界石墨矿石总储量的72%，产量占全球产量的80%。

石墨是一种不可再生的重要战略资源，目前已引起国家有关部门的高度重视，正在采取相应措施积极引导和促进我国石墨深加工产业的快速发展。石墨产业是《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006～2020）》确定的重点领域，属于国家中长期科学和技术发展规划的优先主题，符合国家产业、环保和能源政策。

同时，为保障石墨行业健康可持续发，“十二五”期间石墨产业的发展目标定为自给率达到70%。工业和信息化部于2012年11月21日发布了《石墨行业准入条件》和《石墨行业准入公告管理暂行办法》，作为重要的战略性非金属矿产品，石墨行业被实施准入管理。

2011年底，科技部决定由黑龙江省科技厅牵头研究国家石墨新材料产业发展规划及实施方案，并启动总概算预计1.5亿元的国家科技支撑计划项目。同时，组建了石墨产业技术创新战略联盟，批准建立了黑龙江省石墨产业技术创新服务平台，认定了黑龙江省火炬计划科技特色产业基地。

据不完全统计，自2008年至2013年，教育部先后资助项目10项，累计资金131.2万元，国家自然科学基金先后资助项目644项，累计资金3亿多元，其中仅2013年，国家自然科学基金资助项目296项，累计资金接近1.56亿元。

国内主要省市石墨烯产业情况见表4。

表4　国内主要省市石墨烯产业情况

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七、青岛市石墨烯技术产业研究基础

（一）石墨资源

青岛市作为全国石墨资源三大主要产地之一，占全国石墨矿产储量的22%。青岛石墨矿主要分布在平度市和莱西市。

1.平度市石墨矿情况

平度市累计探明储量矿物量1381.5万吨，主要分布在平度市刘戈庄、明村、石岭、乔戈庄、阎村、梨园唐田、云山、两目、洪山、古砚麻兰等处，预计远景资源储量4600万吨。现有探明储量可满足全市矿山45年的生产需要。

据不完全统计，近年来平度石墨年产量折合纯碳约15万吨，约占全国石墨总产量的1/3。

平度石墨矿石品位一般在2.5%～3.5%，个别矿山达到5%～8%，以结晶质鳞片石墨矿物为主，结晶程度高，鳞片粒度大，质量好。

2.莱西市石墨矿情况

莱西市石墨矿资源探明储量687.11万吨，总储量达2亿多吨。含固定碳4%以上，主要分布在南墅和北墅，年采选矿石100万吨，生产石墨4万吨。

（二）石墨烯研发团队

石墨烯专利分析表明，青岛石墨烯研发团队主要有青岛大学、青岛科技大学等8家单位和个人，共申请石墨烯相关专利28项。

青岛大学:青岛大学——新华锦石墨烯新材料新技术研发中心于2012年5月29日成立。

目前青岛大学石墨烯研究团队主要有刘敬权、王宗花、唐建国等带领的团队，研究的主要方向有石墨烯制备、石墨烯功能化海藻纤维、石墨烯电极、石墨烯超级滤膜、石墨烯高分子复合材料等。他们以高分子作为媒介，采用物理剥离法，已成功分离出石墨烯，石墨烯分离制备即将进入实验室的中试阶段，届时将能达到年产百公斤石墨烯的能力。

青岛科技大学:石墨烯研究团队有海外泰山学者特聘教授董立峰、张晓茹、胡海青、李桂村、混旭等带领的团队，研究的主要方向有石墨烯PN结的光伏电池、石墨烯传感器、石墨烯复合材料、石墨烯电极等。

中国科学院海洋研究所:石墨烯研究团队有吴佳佳、鲍祺、王毅、戚鹏等带领的团队，研究的主要方向有石墨烯基氧化还原反应催化剂、石墨烯杀菌剂、石墨烯修饰玻碳电极、石墨烯微生物生物印迹薄膜、石墨烯传感器等。

中国科学院青岛生物能源与过程研究所:中科院“百人计划”入选者崔光磊研究员带领的团队在储能电池（锂电池以及电容器）电极材料研究方面取得一系列重要进展，目前在锂电池应用方面已具备中试能力。

中国水产科学研究院黄海水产研究所:张旭志带领的团队主要研究层数介于1～10之间的石墨烯制备。

山东科技大学:张会云带领的团队主要研究石墨烯基太赫兹波放大装置。

中国石油大学（华东）:重质油国家重点实验室教授薛庆忠带领的团队主要研究多孔结构的石墨烯材料。

张建滨等个人主要研究石墨烯纳米片/尼龙66高导热复合材料。

目前，石墨烯的分离方法和实际应用已列入青岛市科技局科技攻关计划，项目经费达300万元。市科技局有关负责人表示，青岛的相关企业认识到了石墨烯作为新材料所具有的广阔应用前景，并计划进一步加大研发经费投入力度。

在这场新材料的研发与应用中，不管是石墨烯的分离制备技术，还是石墨烯的应用研究，青岛都已经走在了前列。

八、青岛市石墨烯技术产业的发展建议

虽然青岛在石墨矿产资源、石墨烯的分离制备技术和新材料的应用研究等方面具有一定的优势，但与国内外情况相比，青岛在石墨烯技术、产业、政策等方面主要存在以下不足:一是石墨烯研发力量相对薄弱分散，石墨烯关键技术尚未突破；二是石墨烯技术产业缺乏相关政策支持，各级部门对石墨烯技术产业投入的资金相对偏少，科研成果较少；三是企业在石墨烯技术产业的参与度不高，石墨烯相关产业投资项目与先进地区相比偏少；四是石墨烯相关专利只在国内申请，国际保护力度不足。

为促进青岛石墨烯技术产业发展，从石墨资源优势变成石墨烯科技、经济优势，真正使石墨烯产业成为青岛高新技术产业发展的新兴产业和青岛经济发展的新的增长点，各级政府部门应以战略思维积极部署，加强引导，加大政策支持力度，促进新兴石墨烯技术产业发展。

（一）加大政府政策支持力度

政府应积极组织协调科技、财政、税收等部门制定石墨烯技术产业相关的扶持政策，既要加大资金投入和用地规划，也要谋划石墨烯科技产业园等创新平台和产业化基地建设，如搭建石墨烯研究、应用、成果转化、创业投资和国际交流的综合性创新平台，设立石墨烯研发机构，鼓励石墨烯研发专家来青岛创办、领办或技术入股石墨烯产业化公司，加快石墨烯产业在我市的集聚。

（二）整合石墨烯研发资源

对我市石墨烯研发资源进行有效整合和开放共享。可以组建石墨烯重点实验室、工程技术中心和产业技术创新战略联盟，以充分发挥我市各高校、科研院所和企业等创新资源的优势，开展石墨烯应用技术研究，突破共性关键技术，为石墨烯的应用研究提供技术支持和服务。

（三）积极引进优秀的石墨烯研发人才

相关主管部门要及时掌握国内外石墨烯优秀研发团队及其研发成果，主动积极地与国内外石墨烯优秀研发团队开展合作交流，多渠道、多形式地吸引国内外石墨烯行业优秀人才为我市石墨烯技术产业发展服务。

（四）积极鼓励和引导社会金融资本进入石墨烯技术产业领域

各级政府部门应积极引导金融行业和民间资本等社会力量认识到石墨烯技术产业巨大的经济效益和社会效益，并及时发布石墨烯项目进展信息和金融需求情况，鼓励社会金融资本向我市石墨烯研发机构和产业化项目开展直接投资和战略投资，促进我市石墨烯技术研究与研发成果产业化。

（五）加强石墨烯相关专利的分析与保护

针对全球石墨烯各主要技术国家、地区的相关机构都竞相到我国为其石墨烯相关专利技术申请知识产权保护等情况，相关部门机构应引起充分的重视，在开展石墨烯相关研发或项目立项前，应对国内外已公开的石墨烯相关专利进行全面分析，规避或合理借鉴现有专利技术，避免重复投入，提高研发效率；同时鼓励我市石墨烯专利技术积极申请国际专利，以提早布局国际保护，抢占国际市场。

参考文献

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[3] 姚耀富.江苏成立石墨烯产业创新联盟[J].功能材料信息，2013，10（4）:43-43.

编写:刘振宇　赵　霞

审核:谭思明　李汉清