刘忠范院士：详谈石墨烯产业现状存在的问题及发展前景

“2016中国国际石墨烯产业发展论坛暨中关村石墨烯产业联盟成立大会”在北京丰台隆重召开。联盟理事长、中科院院士刘忠范在成立大会上做了题为《石墨烯产业科学发展之路》的专题报告，阐述了刘院士对于当前国内石墨烯产业的现状、存在问题、发展前景等重要问题的见解。

从“黑金”石墨到“黑钻”石墨烯

在座的各位对石墨烯都很感兴趣，大部分都是专家，我想石墨烯是个什么东西，大家应该是比较清楚，我不说也好，从学术层面，学术界也好，它是一种碳材料。石墨烯是纯碳、全碳材料，很时髦。

大家对石墨烯的关注是最近这十多年的事情，石墨大家都非常熟悉，它是一种层状的碳材料，每一层都是石墨烯，当然前提要把它揭下来，那么可不可以这么做呢?可以这么去做，第一个把它揭下来，其实也不能说是第一个，最早揭下来，被别人承认的，这两个人拿了诺贝尔奖。

大家知道石墨一般叫黑金，如果石墨能叫黑金的话，石墨烯应该叫黑钻，它比石墨要贵。石墨烯号称新材料之王，它是最薄、最轻的材料，一两层结构，非常非常轻。也是最强、最坚硬的材料。大家可能不太理解，说石墨这东西很软，到了一层之后实际上它比金刚石还硬，强度号称是钢的200倍这个样子。导电性特别好，非常好，有一种参数，电子在里边跑的速度可以是光速的1/300，非常好，另外是最好的导电材料。早年一说导热材料，导热好的时候说的是金刚石2000左右，铜是400，单位我们不说了，那石墨烯理论上可以到5300，比它高得多。另外还有柔性，透明的，非常的稳定。

其实还有一个最近大家关注的比较多的在学术界，这层膜，只能透过质子，轻离子，最小的最小的这个东西，其他透不过。所以原理上呢，它可以做最薄的质子交换膜这么一个东西。

所以你可以想象，集这么多好的性质于一身，自然它是超级材料，它有很广阔的应用前景，我的指示就随便列在这，也没有去更新，有各种各样的可能性，触摸屏，透明的，导电，可以像ITO那样可以做触摸屏，可以做柔性的电子器件，光学相关的，国内做的比较多的像锂离子电池的导电添加剂等非常多。机械性能特别好，又轻，所以说可以做防弹衣，做防弹装甲相关的，在生物领域、生物医学领域有诸多可能的用途，时间关系不详细讲。

中国石墨烯产业现状

石墨烯在中国应该说家喻户晓，我经常到哪去经常被问倒，回家去的老乡都说，石墨烯是个什么东西，据说这玩意特别好等等，我就给他们解释一番。

其实上午的嘉宾也讲了，于总也讲了，中国拥有最庞大的石墨烯研发的队伍，我们论文的数量，我没有更新，这张图从2011年开始发表论文的总数已经排第一了，2016年的现在，这个差会越来越大，是这个样子。

专利的总数，我一直想要更新，这里写的46%，于总那个报告68%。不管怎么说，一多半的石墨烯专利都是中国人申请的。但是的确是，我也有同感，我们这个专利很多，可能是冒牌的，可能很多专利未必能起到保护作用，我觉得这一点真是值得我们重视的，我们可以有一大堆专利，最后你形成不了保护作用，至少我所有将近30个专利石墨烯的，但是我知道有很多东西起不到什么保护作用，因为学校在鼓励申请专利，那很多教授拥有了这些专利，他未必真正能够跟实际相关，所以这一点应该引起我们的重视。不能简单的说，我们的专利最多，将来的知识产权都在我们手里，我高度担心这件事情，也请各位重视注意这一点。

我经常在更新我这张图，我叫它轰轰烈烈的石墨烯产业园建设运动，这里有20个地方我都跑过，我不是很认同我们现在的做法，到处建产业园，到处建石墨烯产业园这件事情。我没有把北京写到这里来，后面我会讲为什么是这样子，产业园这件事情很重要，但是这种做法会让我想起来网上查到的这张图，这是河北省徐水县在“大跃进”时代修建的土高炉，让我想起来58年大跃进时期的大炼钢铁运动。说老实话，我不是消极，但是我们应该警惕现在这种运动式的做石墨烯的做法，这会是有问题的。

石墨烯是不是高炉，石墨烯怎么炼出来的呢?我也经常愿意开玩笑的说，我说石墨烯有两种石墨烯，一个是男石墨烯，一个是女石墨烯，我觉得我这个发明挺好，至少很多人都记住了，说你做的是男石墨烯还是女石墨烯，但是大家千万别当真，不能真正在定义分类上定义成男石墨烯、女石墨烯，这是开玩笑的。男石墨烯就是粉体，你看它可能跟活性炭差不多的这种东西，那是粉体石墨烯，有很多种做法，于总在专利分析里面已经讲了很多，还有一种薄膜石墨烯，用化学气相沉积在炉子里烧出来的石墨烯，其实这两类石墨烯它的做法不一样，它的性质差别也非常大，用途也完全不一样。当我们说石墨烯的时候，其实这男石墨烯和女石墨烯都非常重要。

从批量制备的角度讲，粉体石墨烯一般比较简单，想象一下就是从石墨本体出发，把它剥下来，因为一层一层通常是比较弱的，想办法通过化学过程的处理，把它一层层剥下来。相对而言它的质量是比较差，就是里面不仅仅是碳，还有很可能超过10%的氢、氧类的东西，当然成本也相对低一点，这是一个最新的会明院士提的说法，全国的产能差不多7千吨，但实际的产量也就百八十吨左右，尽管我们产能很高数千吨。那决定于后续的开发，如果生产这么多，没地方去卖，自然你没法往前推进，这也是一个问题

薄膜石墨烯刚才说了化学气相沉积，这个问题稍稍复杂一点，在炉子里烧出来的东西一般需要催化剂，现在用的最多的是铜箔，在铜箔表面催化生长，像甲烷。在上面累积了之后，一层一层上面长出来这个东西，铜箔表面通常长出的是一层比较标准的石墨烯。相对而言质量比较高，上千度的温度，成本当然也比较高，我们国家现在有数家公司，应该有三家左右在做批量的制备，规模可以到年产百万平米这个样子。我可以这么讲，在石墨烯的制备方面，不论从粉体石墨烯，还是从薄膜石墨烯，我们国家的这个规模应该说量级，全世界几乎是最大的一个这么一个量级。

中国石墨烯新材料研发存在问题与挑战

我也愿意总结一下中国的石墨烯新材料研发的一些问题与挑战，未必全面，仅供大家参考。首先我们是的确拥有最庞大的石墨烯的研发队伍，但是从某种意义上说还是相对来讲非常分散，小作坊式这种无序发展应该说是我们的特点。产业园区的建设，我刚才已经表达了我的意见，我觉得盲目冒进，简单重复比较多，另外很难说这个地方跟那个地方差别是啥。尤其有石墨矿，旁边有石墨就要做石墨烯，做产业园，我认为这两个应该说不完全是一回事。

相对而言，我觉得我们比较急功近利，这个倾向应该说很严重。其实我觉得我们做产业研发，做新材料、新技术的产业研发，不仅仅是石墨烯，都有这种倾向。只重视低端产出，轻视对未来石墨烯产业核心技术的关注。我们表面上看，这个国外我的朋友做石墨烯相关的，做纳米相关的人都比较熟悉，他们经常说，中国政府投了这么多钱做石墨烯，这行吗?我就告诉他们，我说其实真不是这样子，我们是雷声大，雨点稀，真正认真算投入的话我们投入真不多，而且有那么多人在做，除到每个人头上真没多少。

我一直最近在讲，我说我们其实石墨烯的研究，石墨烯产业的研发缺少国家意志，缺少政府补贴，尽管我们工信部牵头在做布局的布局，但实际上实质性的落实和推进，相对而言我觉得还是比较慢，这是我的一个看法。

石墨烯材料，当我们说石墨烯的时候，其实总有你说的是理想的石墨烯还是现实的石墨烯这种问题。我经常讲，理想的石墨烯是画出来的，是一个完美的单晶结构，是一张像纸一样的薄东西。但实际的石墨烯是一件破衣服，这破衣服的每一块可以是一个单晶，两块之间连起来，所谓的叫边界这个东西，你可以想象石墨烯可以很结实，但一拉的时候，从那个边界就可以拽开。还有我特意选了这么一张图，你看上面的，如果大家注意的话上面有个点，很脏，其实石墨烯的表面很脏，我一直最近在宣布这件事情，我明年会集中讲这件事情，石墨烯的表面非常脏，真是非常脏，很多人其实是视而不见或者根本没注意这个事。它不仅有缺陷，有各种脏东西，这件事情其实非常大。所以实际观测到的石墨烯性质远差于理想情况，我经常愿意说的是理想很丰满，现实很骨感。当你忽悠石墨烯的时候是理想情况，但实际拿到的时候并不是这个样子。

石墨烯这个产业现在究竟属于什么状况呢?这个我真是认真地仔细琢磨过，我的看法未必是对的。根据Gartner技术成熟度曲线，我们来去贴石墨烯，究竟属于哪个阶段，我们知道2004年，基本上这个热从2004年那篇文章开始，2010年拿了诺贝尔奖，到现在为止也就12年的时间，也仅仅12年的时间。那我们石墨烯现在究竟处于技术发展的哪个阶段呢?我个人认为是这个阶段，也就是说我们现在对石墨烯的期望有点像大力丸，有点像万金油，期望非常的高。我告诉大家，很多做基础研究的人现在已经退出石墨烯了，因为里面能挖的东西不多了。

那么这些人在最初阶段推动石墨烯这个行当来说，付出了汗马功劳，但是慢慢就淡起来的，因此真正的技术没那么简单，需要国家意志，需要我们的企业有远见，不论是国家、个人还是企业需要不懈的坚持非常重要。我们现在很多人误解，说这个石墨烯可能是在这个位置感觉，其实是在这个位置，还远。那恰恰我们需要联盟，需要国家意志，需要企业去推动这件事情，在这一点上非常的重要。

我尤其愿意说的是，石墨烯是个实体的产业，并不是互联网，不是简单的一忽悠就上去能赚很多钱，这点我认为同在座的各位要注意这件事情。我一般认为，未来的石墨烯产业，我不怀疑，我也相信它会是一块非常大的蛋糕，但这块蛋糕我们能切到多少，那取决于现在的关注什么，我们做石墨烯的人非常多，我们有几百家的石墨烯做产品去卖去，但未来的石墨烯是不是真的有我们的事?说实话大家还真不要那么乐观，我真是这么认为，因为石墨烯它只是一个新材料的一种，一种比较特殊的新材料，我们在别的方面到现在为止，给我们的信心并不足，很多东西我们最初关注的非常多，到最后都是不了了之，在这点上希望大家要注意这件事情。

我觉得我们不仅仅要关注今天的产品拿出去卖，我们更要关注引领未来的核心技术，因为只有真正的一些核心技术你掌握了之后，石墨烯产业的未来你才有可能参与推动，这点非常地重要。你看我们现在在关注的东西，我没有任何贬低我们现在市场的意思，我只想说我们现在关注的东西还都是比较低端的东西，不论是“内裤”也好“外裤”也好等等，我没有任何贬低这些产品的意思，这些也非常重要，因为它至少会吸引大家的注意力，至少会吸引政府的投资，这些非常重要，但是不仅仅做这些东西。

那样我们要关心什么呢，下面我谈一点自己的看法，我最近一直愿意说制备决定未来。在这里，我跟大家说一下碳纤维，我是很认真地研究了一下碳纤维的发展历史，我觉得非常有启发，但是在座的各位对碳纤维都有所耳闻，有所了解，那是一个比现在成熟的行当，我觉得会很有启发对我们未来的石墨烯产业。碳纤维1961年是日本人叫进藤昭男发明了聚丙烯腈基的碳纤维，到1971年日本的东立公司才率先实现了量产，而且这个量产每个月一吨，一年十几吨的样子，1961年到1971年，那个时候产品，他们率先定标，做标号，T300，M40等等，在那之后，1971年一路到现在的话，45年的时间，走了T800、T1000，还往前在走。早年的碳纤维做什么呢，做钓鱼干、做自行车，现在的碳纤维可以做飞机，尤其是东丽公司碳纤维的研发，的的确确值得我们思考，这是一个半个世纪的坚持，我这个也了解了一下，他们71年开始做量产，据说是花了1400亿，1400亿将近100亿人民币做前期的研发，一直在亏损。我还真没想到，实际上他们在2003年接到波音787公司的订单之后，才真正的扭亏为盈，而且这个行业才真正的带动起来，在那之前投了100亿人民币这么一个样子。

所以你可以想像，40多年将近半个世纪去做碳纤维，那么我们现在只有12年的时间，我们立刻想用它去赚多少钱，这种想法太天真，我肯定这么认为。所以在这里我最近也特别愿意说，我们要提倡工匠精神，后面我还会讲，不能搞群众运动。

我们来看看这个碳纤维的市场，从08年左右，那个时候是多少万吨?4.5万吨，现在的话是几十倍，将近30万吨。那么在这里，而且它应用的领域越来越广，行当越来越多，你会看到在这个里面，东立公司占了34%，日本的三大公司占了将近70%，然后其他几个加到一起不到30%。在这里你看不到中国的影子，但是中国有多少做碳纤维的呢?看到没有，有30多家在做碳纤维，生产T300、T700等等。我说什么意思呢，我们尽管有一大堆人在做，实际上在国际市场上我们占的份额忽略不计的，高端的我们做不出来。

我讲了半天碳纤维，我只想说石墨烯干什么?其实石墨烯跟碳纤维真是很像，尤其未来的发展路径，我相信会有非常相似的借鉴的价值，需要我们去思考，我们不能简单的说怎么样子。如果说不是东丽坚持的话，这个碳纤维能不能发展成一个现在大的行当很难说。

所以我们说石墨烯很有前途，但是真正需要某一个企业，某一个组织，它站出来去坚持，最后真把这个行当做起来，如果不是这样的话，也难说石墨烯一定有未来，在这一点其实非常重要。

从材料制备的角度讲，我觉得有几点很重要，最近愿意提标号石墨烯，我认为这是石墨烯材料发展的必经之路。什么概念呢?我们现在大家在做无论是男石墨烯还是女石墨烯，都号称是石墨烯，我是单晶多少多少。我相信未来的时候，一定有特定像碳纤维那个样子，T300、T800、T1000这种东西出来，有一个明确的东西，谁能占住这个先机我认为非常重要。标号石墨烯这件事情我认为将来必定是石墨烯材料制备的一个标准，将来谁能做出来，谁能够被别人承认，这点非常重要。

举这个薄膜的例子，在过去六七年来，2009年开始，那个时候我说那件破衣服只是微米级的，现在已经能做到厘米级，最多可以做到英寸级，两英寸，1.5英寸这个样子。那么这个显然会一部分一种程度的代表了它这个性能，如果将来你能做这么大一块单晶，全是石墨烯单晶的话，肯定它的性能完全不一样，这些需要做制备的人下工夫，老实讲这个还远，真没那么容易，我们可以年产百万平米，但它的性能，里面的情况，做的人大家非常清楚。北京大学在这一点上我们一直非常希望做到这一点，我有一个非常大的团队做标号石墨烯，这是我们设计的第二代的炉子，挺漂亮这个炉子。那我们现在能做到什么样子呢，产能是一台炉子可以连续不停地转的话，每天10个小时，年产2万平米的样子。这里面差不多可以达到毫米级，但实际上也很难，你说做厘米级的根本做不到，等等。

在制备方面，我是觉得，尤其像男石墨烯，粉体石墨烯的制备方面，绿色化制备是一个很大的问题，还有石墨烯的可分散性问题。绿色制备是什么概念呢?其实不可否认的是，尽管我们国家在还原氧化法做石墨烯本体，实际上它会制造大量的污水，如果说我们处理不好的话，会污染环境。这方面实际上我最近一直呼吁，应该引起大家的重视，将来治理就晚了，从某种意义上有点像当年的稀土，稀土开采的时候都是带来了，伴随着大量的环境的破坏，那石墨烯弄不好的话也会出现这种问题。

还有一个，石墨烯我们知道，它是一层一层的石墨片，实际上这个相互作用特别容易聚起来，对于粉体石墨烯，无论做任何用途，把它很好的分散其实非常重要，我认为这一点大家关注的还不是非常多，做出来多少层可能你自己都不清楚。

这一点我们也在琢磨别的路子，比如我们去设计非平面的石墨烯，平面的石墨烯容易发生相互作用，非平面就可以减弱这种相互作用。那么这种相互作用我直接去长，就可以长各种不同结构的石墨烯，而且质量非常高，当然比较贵。

举两个例子，比方说我们用便宜的硅藻土，上面长石墨烯粉体，这样的粉体上面可以看到有很多小单元，几十个微米左右，上面很多眼。这些堆起来的时候相互作用比较弱，我轻轻的一晃都不用超声就可以把它分散开，导电声那是正常的rgo的10倍以上这个样子。也就是说在制备方面，绿色化、高性能还有很多空间可以去挖掘。

我想说的是，制备当然是重要，其实最重要的是要有杀手锏级的应用，离开它不行的这种应用。我觉得这点应该说现在还是未知数，大家经常会说杀手锏的应用究竟是什么?假如我知道的话我肯定不告诉你，我偷偷的去做，是不是?究竟什么是它的杀手锏级的应用，我们一直在探索，举一个我们的例子，我们现在在做石墨烯玻璃，我对这个非常看好，我现在可以在任意玻璃上，不是涂上去，是长上去一两层石墨烯，长出来这个石墨烯，现在做得最大的、最好的就是60厘米，60厘米还不大，但是能做到这个样子就很不容易了，因为越大越不均匀，有的地方黑黑的，有的地方还没长上，这是个非常大的问题。但是我现在基本上半米左右见方的我差不多能做，最近我们又设计了一台差不多有一米左右的东西这样的去做，一步一步很难，但是我们有信心去做。

什么叫超级石墨烯玻璃呢?你可以想象，我把玻璃跟石墨烯结合起来，玻璃不导电，石墨烯导电，变成导电玻璃;玻璃不导热，石墨烯导热，变成导热玻璃，有很多的性能完全不同，它不一样，所以这样的玻璃你可以想象，我相信，可以有很多好玩的用途。

比方说我们现在在做的，我们现在做的各种尝试，做智能窗，大家做过波音787的话，它现在做的窗子不用窗帘，我们这个电玻璃完全可以替代ITO玻璃去做，而且几伏电压就可以，三伏电压就改变它的颜色。我们做防霜雾镜，做玻璃的暖气加热片，我们现在像绿能嘉业做这个加热化，我们将来一块玻璃就可以，做各种各样的东西，做高效的细胞培养皿。我们用它尝试做触摸屏，尽管也谈不上它有多大的优势可以去做，我们做智能投影墙，玻璃有很多，包括透镜也是玻璃，很多光学片都是玻璃，我们在利用这个光学片上面长石墨烯之后，就是各种各样光学传感器，效果非常好，我们现在正在往产业去推进这方面的技术。

另一个方向是做石墨烯光纤，我们叫超级石墨烯光纤，大家知道光纤是什么呢?光纤就是二氧化硅，也是玻璃，我现在可以在这个上面长非常好的石墨烯，它可以做特种光纤，耐腐蚀、抗干扰一层就行，可以做光纤探测器，电光调制器等等，我现在有个团队专门在做这个东西，高端的研发，我们充满期待，我们也在跟光纤企业在合作，在做这件事情。

还有更接地气的东西，第三代半导体照明技术的颠覆性解决方案，大家知道LED带来了一个非常大的产业，我们国家现在是主导这方面的事情。一方面石墨烯有可能做透明电极，其实更重要的是它可以做外延缓冲层，我们跟中科院半导体合作，这方面有非常大的前景。你会看到通常情况下，是在蓝宝石衬底上去长氮化镓，那么由于晶格的匹配问题，外延生长的时候通常长不好，现在我们通过石墨烯来减缓了这个东西，我们可以在非晶上面去长，你看到没有，我们在石墨烯玻璃上长氮化物，和在蓝宝石上直接长大，你看它的差别，一个你什么都看不到，一个它是非常均匀，一个看到的是像河滩的干燥的河床一样，因为它长不好，这方面的市场非常难，你可以想象，当我用我的又便宜，它后续肯定是性能会更好，这是一个非常大的产业。像这些东西，我觉得都有可能成为未来的杀手锏级的应用。

我愿意引用杨振宁在1981年给邓小平写过的一封信，来表达我的观点，他说“中国的科学研究倾向于走两个极端，或者太注重原理的研究，或者太注意产品的研究，介于这两种研究之间的发展性研究似乎没有被重视。发展性研究是一种中期的投资，希望是五年、十年或者二十年内成果能增强社会生产力。这种投资是当前中国科技研究体系中十分脆弱的一个环节”。我觉得三十多年前杨振宁的话，现在完全适用，我们并没有太多改变。或者是泛泛地基础研究、不靠谱的，一大堆文章，或者是明天就卖出来的产品，恰恰我们对于未来一些核心技术下的体力不够，我完全赞同杨先生这个观点，其实现在没有多大的变化。

北京市科委刚刚启动石墨烯专项，是十三五和十四五，十年的时间做整体的布局，因为我也参与专项的工作，所以我的一些意见被采纳，我是专家组的组长。我们这个布局有所不同，我们的指导思想是，一个是着眼未来，建设国际一流的石墨烯原创性技术和产业化关键技术的研发基地。我们做研发，不仅仅是做产品，同时我们希望全面布局，打造未来石墨烯产业的核心竞争力。这个是未来十年的北京市科委的石墨烯专项的指导思想。大家会注意到，我们并不是定到明年会做出产品来，我们定的是未来能不能切一块很大的蛋糕。在这里非常重要的一点，我也愿意跟大家介绍一下，北京市政府积极支持，成立了北京石墨烯研究院，我们期待这个北京石墨烯研究院能够引领石墨烯产业的要素，非常重要的一点是体现国家意志，布局未来产业。

我觉得中国的石墨烯产业呼唤，需要工匠精神，这种工匠精神是精益求精，追求极致，不屈不挠，非常重要，我觉得中国的石墨烯产业尤其需要，需要的是一种工匠精神。克强总理在年初的两会期间，他的政府工作报告所提工匠精神，我认为石墨烯产业尤其需要工匠精神。

我也顺便讲一句，因为大家说石墨，石墨矿跟石墨烯应该说有一定的关联，但不完全等同，那么它应该是中国石墨烯产业的资源优势，我们占了75%，其中72%的石墨烯由中国供应。但是我想说是的，我们石墨的产业链其实非常大，在这里有非常大的空间，如果把它和石墨烯整合起来的话，做资源的整合利用非常重要，这一点也值得我们大家去思考、去探索。

最后我想还是这张图，已经用了无数次这张片子，石墨烯究竟是前途无量还是昙花一现，首先我还是认为，制备决定未来。当你能够制备出真正理想的最好的石墨烯，越接近理想情况的时候，它的应用面就会越广。现在很多人问我说石墨烯究竟能干什么用?我说看什么时候的石墨烯，现在的石墨烯可能用途还有限，但是未来的石墨烯它的用途可能是你想像不到，就像当年的碳纤维一样。

第二点，我已经说过了，我们不能满足于石墨烯是万金油、大力丸，要找到杀手锏级的应用，离开它不行，大家还在找。那石墨烯究竟还能走多远，这个我也说了很多次了，我给石墨烯设定了三种前途，一个是碳纤维的前途，在特定的领域有非常杀手锏级的应用，在航空航天领域，石墨烯能不能做到这一点?我高度相信能做到。第二种可能，像塑料那样，一百多年前发明了塑料，现在我们是离不开它，这个屋里到处都有塑料，它给我们人类生活提供了便利。石墨烯有没有可能做到这一点?我认为是可能的，走进日常的生活。中国在这一点，我们的企业家在这方面做了很多贡献。

那还有没有更高大上的前途呢?也有可能像硅芯片这个样子，我们知道芯片几乎改变了世界，提升了我们人类生活、精神生活，没有芯片就没有集成电路，没有集成电路就没有手机，就没有我们的计算机，没有任何高科技的产品。石墨烯有没有可能达到这么个终极目标呢?我觉得不是没有可能，当然什么时候我不知道，需要大家共同努力。

材料是人类文明和社会进步的阶梯，从石器时代，其实它是一个标签，石器时代、青铜器时代、铁器时代，现在如果说我们要用材料来描述这个时代的话，可以说是硅时代，未来几百年之后有没有可能有石墨烯时代呢?我觉得或许有可能。当然我相信，在我的有生之年我估计见不着石墨烯时代，但不能说石墨烯不重要。让我们共同努力，一起努力，让这个时代早点到来，最后感谢我的团队和相关部门支持，谢谢。