石墨烯已从研发进入产业化前夜

文/段小华

石墨烯作为一种由碳原子构成的单层片状结构的二维材料，以最薄、最坚硬、导电性最好著称，具有广泛的应用潜力，成为当前全球范围内最为关注的炭材料。尽管有专家认为，由于材料制备的限制，石墨烯规模化供应和需求尚待形成，在短期内无法形成产业化，但随着世界范围内的大力推动，石墨烯从研究到产业化正在迅速推进。

重磅级的石墨烯应用研究成果正陆续涌现

国际上的研究热点是石墨烯的导电性、导热性、制备方法以及纳米材料等，相关专利主要在石墨烯的制备、能源、显示技术、纳米材料及复合材料等领域；我国的研究主要集中在纳米材料、材料应用研究等领域，相关专利集中在石墨烯的制备和石墨烯复合材料的应用领域，专利数量超过2200多项，约为全球的1/3。从公开报道看，全球一些有影响的重磅级成果包括：

最小最快的晶体管

2009年12月1日在美国召开的材料科学国际会议上，日本富士通研究所宣布，在铁质衬底上制成7.5厘米直径的大面积石墨烯薄膜，在此基础上配置电极和绝缘层，制成了几千个石墨烯晶体管。如进一步扩大石墨烯面积，还可制作出石墨烯集成电路。2011年4月IBM向媒体展示了新开发的最快的石墨烯晶体管，该产品每秒能执1550亿个循环操作，比之前的试验用晶体管快50%。

低成本、高比容量的石墨烯电池

2013年，美国俄亥俄州Nanotek仪器公司的研究人员利用锂离子可在石墨烯表面和电极之间快速大量穿梭运动的特性，开发出一种新型储能设备，可以将充电时间从过去的数小时之久缩短到不到一分钟。

单分子传感器

2010年，美国莱斯大学利用石墨烯量子点，制作单分子传感器。莱斯大学将石墨烯薄片与单层氦键合，形成绝缘体的石墨烷。研究人员移除石墨烯薄片两面的氦原子岛，就形成了被石墨烷绝缘体包围的、微小的导电的石墨烯阱，可作为量子阱。这一技术可用来制作化学传感器、太阳能电池、医疗成像装置或是纳米级电路等。

全球最小光学调制器

加州大学劳伦斯国家实验室的张翔教授等组成的研究团队于2011年宣布，将石墨烯铺展在一个硅波导管的顶部，建造出了一款能打开或关闭光束的光调制器。每个石墨烯调制器的传输速度比铜导线快约千倍。

石墨烯电容触摸屏

2012年1月8日，江南石墨烯研究院、常州二维碳素科技公司联合相关企业通过联合研究，实现了石墨烯薄膜材料和现有ITO模组工艺线的对接，全球首次成功制成电容触摸屏手机样机，并完成了功能测试。这款近于透明的超级薄膜手机具有触摸屏的基本功能。2014年5月，常州二维碳素科技有限公司宣布其第一条年产3万平方米石墨烯透明导电薄膜生产线实现量产。

用于海水淡化的氧化石墨烯薄膜

2014年，中国科学技术大学与英国曼彻斯特大学合作，发现了氧化石墨烯薄膜具有精密快速筛选离子的性能。石墨烯表面本来是排斥水的，但浸入到水中的石墨烯薄膜里的毛细通道却允许水快速渗透。未来如生产出过滤装备，可在几分钟内即可将一杯海水淡化成饮用水。

纳米二冲程发动机

2014年，新加坡科学家用石墨烯研制出纳米发动机原型，其原理与常规二冲程发动机完全相同，单层原子厚的石墨烯作为活塞，而激光则起到了火花塞的作用。通过与微机电系统（MEMS）纳米机电系统（NEMS）技术的结合，纳米发动机产生的机械能将有望为纳米器件和纳米机器人提供动力。

石墨烯浆料

2014年5月28日，宁波墨希公司推出了石墨烯浆料和粉末系列新产品，主推产品为平均厚度3纳米的多层石墨烯微粉材料，售价仅为1元/克。宁波墨西公司希望凭借低廉定价促进下游用户加强新产品研发，促进石墨烯在锂电池、超级电容器、高分子复合材料、导热散热膜、功能涂料、国防军工等领域的广泛应用。

可穿戴设备

未来在智能穿戴等生活领域，还将涌现石墨烯的杀手级产品。石墨烯生活应用新品已应用在座垫、腰带等领域，这恒温产品可通过智能化终端进行控制，将彻底颠覆人们对传统保暖产品及方式的认识。

各国政府竞相加强对石墨烯的研发部署

美国政府先后投入超过近一亿美元研制石墨烯材料。2006年以来，美国国家自然科学基金等机构连续资助石墨烯的基础和应用研究项目。国防部高级研究计划署2008年投入2200万美元开发超高速和超低能量应用的石墨烯基射频电路。2012年IBM公司成功研制出首款由石墨烯圆片制成的集成电路，计划最近几年投入30亿美元研究下一代芯片技术。

欧盟委员会将石墨烯列为“未来新兴技术旗舰项目”之一，于2013年起在10年内提供10亿欧元资助，该项目吸纳了欧盟15个成员国的100多个研发团队，其中包括4名诺贝尔奖得主。

作为诺贝尔奖获得者所在国，英国政府2011年宣布投入5000万英镑支持石墨烯研究，2013年英国政府联合欧洲研究与发展基金会共同出资6100万英镑在曼彻斯特大学成立国家石墨烯研究院，2014年联合马斯达尔公司追加投资6000万英镑成立曼彻斯特大学石墨烯工程创新中心。

德国于2010年启动了石墨烯优先研究计划，包括38个研究项目，前3年预算经费为1060万欧元。2012年10月，德国慕尼黑工业大学的科学家成功制成石墨烯光电探测器。

日本经济产业省从2011年开始投入9亿日元，重点支持碳纳米管和石墨烯的合成技术。

韩国通商资源部从2013年开始，在6年内投入4230万美元，将六大集团（含45家企业、研究机构）列为石墨烯产品的开发先锋，协助这些企业将石墨烯的应用产品与相关技术商业化。

我国科技部已从863计划、973计划、科技重大专项等途径安排了石墨烯研究项目。如“十一五”期间的863项目“石墨烯的控制制备及其在光电领域的应用”、“基于石墨烯电极的PbSe/CdSe量子点太阳电池”；“十二五”973计划围绕“石墨烯材料的宏量可控制备及其应用基础研究”、“石墨烯基电路制造设备、工艺和材料创新”等方向部署了一批重大项目，取得了一批创新成果，国际影响力逐步提升。

自然科学基金委已陆续拨款超过3亿元资助石墨烯相关基础研究项目，将“介电衬底上高质量大面积石墨烯信息器件的构筑与特性研究”项目等列入“十二五”期间第三批19个重大项目。2014年和2015年与石墨烯相关的资助项目分别达到385项和396项。

2012年，工信部发布《新材料产业“十二五”发展规划》有关前沿新材料就包含石墨烯。“十三五”规划将再度支持石墨烯，包括：出台石墨烯产业发展指导意见；建立石墨烯产业联合创新中心；成立产业发展联盟。

各地方政府也设立了石墨烯产业化资金。如宁波市制定了《宁波市重大科技专项“石墨烯”产业化应用开发计划》，设立了“石墨烯产业化应用开发”专项资金，每年安排3000万元，三年共9000万元，用于支持“石墨烯产业化应用开发”。

石墨烯产业创新体系已然成型

随着石墨烯的下游应用需求逐步开展，更多的科研机构和企业正参与到石墨烯的研制中。我国的主要企业和机构包括：江南石墨烯研究院、常州二维碳素科技有限公司、上海南江集团、中科院宁波材料所、中科院重庆绿色智能技术研究院、重庆墨希科技有限公司、宁波墨西科技有限公司、厦门凯纳石墨烯技术有限公司、泰州巨纳新能源有限公司、唐山建华集团、天津普兰纳米科技有限公司、南京先丰纳米材料科技有限公司、盐城纳新天地新材料科技有限公司等。相关企业、科研机构和地方政府围绕石墨烯材料的研发和产业化，通过设立研究院、科技园、创新平台、产业创新基地等模式，建立了多层次的产业技术创新体系。

目前，中国石墨烯产业技术创新战略联盟正在组织成员编制国际石墨烯标准，依托联盟建立项目融资、孵化、并购等于一体的石墨烯产业服务体系。联盟已经与东旭光电等上市公司合作建立10亿元规模的相关基金。

随着越来越多的材料研究团队投身于石墨烯材料研制中，半导体材料、锂离子电池、航天、军工、新一代显示等领域正在发生革命性的技术进步并向产业化阶段快速进发。可以预见，任何一个领域的量产都将引爆下一个万亿级产业。