如何破冰啟動(dòng)石墨烯高技術(shù)壁壘黑金產(chǎn)業(yè)化

如何破冰啟動(dòng)石墨烯高技術(shù)壁壘黑金產(chǎn)業(yè)化


石墨烯因其優(yōu)越性受到資本的高度追捧。它的準(zhǔn)備和應(yīng)用存在技術(shù)和成本瓶頸。它的高估和預(yù)期需要理性回歸。

石墨烯的概念最早提出于20世紀(jì)40年代末，1987年首次被定義為石墨中碳原子的平面結(jié)構(gòu)。隨著石墨烯研究和發(fā)展的不斷發(fā)展，特別是在2010年將石墨烯諾貝爾獎(jiǎng)授予科斯特亞·諾沃塞洛夫和安德烈蓋姆之后，石墨烯的概念和內(nèi)涵被擴(kuò)展后，根據(jù)石墨烯聯(lián)盟（T /CGIA 001-2017）1的標(biāo)準(zhǔn)，石墨烯是指每一個(gè)碳原子與SP2雜化并與三個(gè)相鄰的碳原子鍵合而成的具有蜂窩狀結(jié)構(gòu)的單層碳原子，即石墨烯是一種二維碳納米材料，由六角H組成。石墨烯是由緊密拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)形成的單原子石墨。嚴(yán)格地說(shuō)，由單層原子組成的二維六角形晶格是石墨烯的固有結(jié)構(gòu)，也是許多碳材料的組成單元，其晶格結(jié)構(gòu)非常緊湊，可以阻擋最小氦分子的通過，此外，雙層和少數(shù)分子的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)拉斐特片與大塊石墨有很大的區(qū)別，因此它們都屬于石墨烯的大類，隨著連接碳原子數(shù)量的增加，碳原子平面在二維空間內(nèi)膨脹，在法向上變厚，從而導(dǎo)致石墨烯材料的兩種不同的宏觀形貌。石墨烯材料，即石墨烯微芯片和石墨烯薄膜，不同分類方法下石墨烯的分類層次如圖1所示。

1本標(biāo)準(zhǔn)由英國(guó)國(guó)家物理實(shí)驗(yàn)室（NPL）制定，旨在為新興的全球石墨烯工業(yè)提供一致的標(biāo)準(zhǔn)，并加速以石墨烯為代表的二維材料的商業(yè)發(fā)展。

石墨烯具有優(yōu)異的機(jī)械、熱學(xué)、光學(xué)、電學(xué)和微觀量子性質(zhì)（見表1）。石墨烯是一種具有最高強(qiáng)度、最佳韌性、最輕、最薄、最佳透明度、最大比表面積、最高熱導(dǎo)率、最佳阻隔性和最佳導(dǎo)電性的新型前沿材料，其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)決定了其作為顛覆性材料的優(yōu)越性。與傳統(tǒng)材料相比，具有不可比擬的應(yīng)用價(jià)值。未來(lái)，石墨烯有望在能源、電子、信息、環(huán)境處理和生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域獲得輝煌的發(fā)展。可以極大地促進(jìn)相關(guān)產(chǎn)業(yè)的迭代升級(jí)，具有巨大的市場(chǎng)前景。

一般來(lái)說(shuō)，石墨烯的價(jià)值主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是對(duì)傳統(tǒng)材料的改進(jìn)和應(yīng)用提供強(qiáng)有力的支持；二是石墨烯可以衍生出一系列性能優(yōu)良、功能多樣的組分，這將導(dǎo)致F的革命性變化。因此，石墨烯有望改變現(xiàn)有的競(jìng)爭(zhēng)格局，成為引領(lǐng)新一代工業(yè)技術(shù)革命和高新技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)市場(chǎng)的戰(zhàn)略技術(shù)。

資料來(lái)源：石墨烯魔幻材料的介紹及應(yīng)用前景，國(guó)海證券研究所、方向志昌研究所整理分析。

科學(xué)研究和工業(yè)界對(duì)石墨烯技術(shù)的突破性研發(fā)和顛覆性應(yīng)用都抱有很高的期望，并參與了石墨烯的科學(xué)研究和應(yīng)用開發(fā)。美國(guó)、中國(guó)、英國(guó)、日本、韓國(guó)、德國(guó)等國(guó)在世界將著眼于石墨烯技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用作為一項(xiàng)長(zhǎng)期戰(zhàn)略，通過政策激勵(lì)、資金支持等方式部署石墨烯相關(guān)的研發(fā)項(xiàng)目和商業(yè)應(yīng)用，力爭(zhēng)搶占石墨烯產(chǎn)業(yè)的高端價(jià)值鏈，從專利應(yīng)用的角度出發(fā)，將石墨烯技術(shù)作為一項(xiàng)長(zhǎng)期戰(zhàn)略。2010年以來(lái)，石墨烯專利申請(qǐng)量逐年增加，2017年已躍升至13000多件（見圖2），中國(guó)專利申請(qǐng)占全球石墨烯生產(chǎn)專利的45%，其次是美國(guó)和日本，表明中國(guó)對(duì)全球石墨烯形成了更大的影響。研究：根據(jù)文章發(fā)表的分析，石墨烯的研究文獻(xiàn)呈指數(shù)增長(zhǎng)。2017年，研究文獻(xiàn)總量約3萬(wàn)篇（如圖2所示），表明石墨烯在研發(fā)上具有持續(xù)的熱，其基礎(chǔ)研究和技術(shù)創(chuàng)新仍處于快速發(fā)展階段。

石墨烯的制備是石墨烯應(yīng)用的先決條件，因此石墨烯的制備技術(shù)是石墨烯工業(yè)化過程中的核心技術(shù)，目前石墨烯工業(yè)正處于技術(shù)向商業(yè)演進(jìn)的關(guān)鍵時(shí)期。成熟度高、成本低、結(jié)構(gòu)和性能可控的大規(guī)模制備技術(shù)是石墨烯材料應(yīng)用的先決條件，也是目前研究的熱點(diǎn)，國(guó)際上已發(fā)表的石墨烯制備方法如圖3所示，根據(jù)不同的宏觀形貌G石墨烯粉末和石墨烯薄膜，其制備方法可分為10層以下的石墨烯微片，而石墨烯薄膜的碳原子層通常在1-4層之間。

根據(jù)制備石墨烯的不同方法，其制備方法可分為自上而下和自下而上（見圖4），自上而下途徑（石墨途徑）是指用物理方法破壞石墨層間范德華力制備單層石墨烯的方法，而自下而上途徑（碳aTOM路徑）是指通過加熱、微波、電子轟擊等手段破壞碳碳-碳化學(xué)鍵，實(shí)現(xiàn)碳化合物分解，然后在基體上生長(zhǎng)石墨烯的方法。

石墨烯的制備方法多種多樣，并不斷發(fā)展完善。我們力爭(zhēng)批量生產(chǎn)出具有可控層、大尺寸、高質(zhì)量、低成本的高品質(zhì)石墨烯，主要制備方法對(duì)應(yīng)的石墨烯質(zhì)量及其應(yīng)用潛力如圖5和圖6所示，從圖中可以看出，氣相沉積法和氧化還原法被認(rèn)為是最主要的方法。大型石墨烯薄膜和粉末潛在的大規(guī)模和低成本制備方法。表2對(duì)上述主要方法的優(yōu)缺點(diǎn)、產(chǎn)品特點(diǎn)和工業(yè)應(yīng)用潛力進(jìn)行了比較分析。很容易知道，這些方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，制造成本也各不相同。

石墨烯并不是一個(gè)新事物，只有在石墨烯出現(xiàn)之前，凝聚態(tài)物理理論才認(rèn)為熱力學(xué)漲落導(dǎo)致二維晶體在有限的溫度下不存在，理論界和實(shí)驗(yàn)界都證明，理想的二維結(jié)構(gòu)不允許穩(wěn)定存在。非絕對(duì)零度。石墨烯的成功制備顛覆了這一觀點(diǎn)。事實(shí)上，石墨烯并不是一個(gè)完美的二維平面結(jié)構(gòu)，但存在著納米級(jí)的微波動(dòng)，這就是為什么石墨烯能夠保持自身的穩(wěn)定性。石墨烯技術(shù)發(fā)展路線圖如圖7所示。

由于石墨烯的各種特性，其應(yīng)用前景十分廣闊，主要集中在新材料、新能源、電子信息、生物醫(yī)學(xué)、節(jié)能環(huán)保等領(lǐng)域，可以預(yù)見，隨著石墨烯制備和應(yīng)用技術(shù)的不斷發(fā)展和成熟，石墨烯的爆炸效應(yīng)將越來(lái)越明顯。石墨烯的應(yīng)用場(chǎng)景將給我們的生產(chǎn)和生活帶來(lái)更廣泛和深入的影響。一般來(lái)說(shuō)，石墨烯的工業(yè)化有兩種方式：第一，石墨烯可以作為功能性添加劑的輔助材料，可以改變或提高基體的性能。此外，石墨烯還可以用作應(yīng)用實(shí)踐的主要材料。石墨烯的應(yīng)用如圖8所示。

石墨烯以其優(yōu)異的性能成為近年來(lái)人們關(guān)注的焦點(diǎn)。特別是，國(guó)家在135個(gè)產(chǎn)品目錄中明確將石墨烯列為高端材料，中國(guó)制造2025年確定了石墨烯材料技術(shù)的發(fā)展路線，并先后計(jì)劃在中國(guó)建立一批石墨烯產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新基地，也表明國(guó)家不遺余力。支持石墨烯產(chǎn)業(yè)發(fā)展，政策引導(dǎo)和產(chǎn)業(yè)升級(jí)對(duì)促進(jìn)石墨烯產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展具有雙重作用。同時(shí)，它也引發(fā)了石墨烯項(xiàng)目的熱潮，導(dǎo)致石墨烯市場(chǎng)的過度增長(zhǎng)，如果能夠?qū)崿F(xiàn)石墨烯的大規(guī)模生產(chǎn)和使用，石墨烯固有的優(yōu)勢(shì)基因確實(shí)可以被視為材料的無(wú)冕之王，但對(duì)石墨烯抱有很高的期望，卻能帶來(lái)新的對(duì)短期內(nèi)經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型的預(yù)期

Gartner技術(shù)成熟度曲線反映了人們對(duì)從實(shí)驗(yàn)室開發(fā)到應(yīng)用落地的新技術(shù)的期望，從石墨烯的Gartner技術(shù)成熟度曲線來(lái)看，目前石墨烯行業(yè)處于媒體、風(fēng)險(xiǎn)投資等關(guān)注的高峰期，而不是發(fā)展高峰期，這表明石墨烯的發(fā)展是一種新技術(shù)。NE技術(shù)還不成熟（見圖9）。

根據(jù)方祥志義研究所對(duì)石墨烯技術(shù)應(yīng)用成熟度曲線的解釋，石墨烯技術(shù)在不同應(yīng)用領(lǐng)域的成熟度是不同的，但一般來(lái)說(shuō)，石墨烯行業(yè)處于基礎(chǔ)技術(shù)研究、應(yīng)用技術(shù)開發(fā)和技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵階段。工業(yè)化，受工業(yè)化技術(shù)、裝備和技術(shù)瓶頸的制約。石墨烯技術(shù)與生產(chǎn)的距離受到工業(yè)化技術(shù)、設(shè)備和技術(shù)瓶頸的限制，成熟應(yīng)用和大規(guī)模生產(chǎn)還有很長(zhǎng)的路要走，因此，對(duì)石墨烯價(jià)值的高估和相關(guān)項(xiàng)目的發(fā)展趨勢(shì)應(yīng)進(jìn)行合理的檢討。

然而，技術(shù)的不成熟并沒有阻礙市場(chǎng)的想象，2017年，我國(guó)石墨烯相關(guān)業(yè)務(wù)上市公司達(dá)到4871家，新三板上市的石墨烯相關(guān)業(yè)務(wù)上市公司只有5家，其中不屬于石墨烯主營(yíng)業(yè)務(wù)的上市公司53家，包括G 4新第三板，46 A股和3香港股?；靖采w石墨烯產(chǎn)業(yè)鏈的各個(gè)環(huán)節(jié)，其中石墨烯應(yīng)用企業(yè)數(shù)量最多的是38家，占66%，主營(yíng)業(yè)務(wù)集中在新能源和電子信息領(lǐng)域，因此，面對(duì)石墨烯產(chǎn)業(yè)混眼的局面，成為成功投資的關(guān)鍵。主要是從砂中采金，挖掘具有實(shí)際投資價(jià)值的石墨烯企業(yè)。

通過對(duì)石墨烯技術(shù)發(fā)展水平和產(chǎn)業(yè)化現(xiàn)狀的分析，石墨烯未來(lái)可以突破以下兩個(gè)具有代表性的應(yīng)用領(lǐng)域：

與傳統(tǒng)電池相比，石墨烯鋰電池的能量密度是傳統(tǒng)電池的三倍，石墨烯鋰電池的輸出能量也更高，石墨烯作為電池的負(fù)極可以顯著提高充電速度，這是因?yàn)槭┖褪榛A(chǔ)。納米結(jié)構(gòu)可以有效地解決能量密度限制的問題，特別是石墨烯的高比表面積可以增加鋰離子的吸收，加速界面動(dòng)力學(xué)，從而提高鋰電池的儲(chǔ)能能力和速率性能，同時(shí)具有優(yōu)異的散熱性能。石墨烯的離子性能可以防止短路故障，提高電池的使用壽命，這得益于石墨烯的低電阻率。

雖然石墨烯鋰電池的應(yīng)用存在諸多限制，但目前，石墨烯鋰電池導(dǎo)電添加劑技術(shù)相對(duì)成熟，具有市場(chǎng)空間大、現(xiàn)有產(chǎn)品更換簡(jiǎn)單、成本低的優(yōu)點(diǎn)。這有望成為石墨烯鋰電池應(yīng)用的第一個(gè)突破點(diǎn)。

利用石墨烯等材料的優(yōu)異性能，可以產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)，不僅可以提高原材料的性能，而且可以獲得滿足不同需要的性能優(yōu)異的新型復(fù)合材料，石墨烯復(fù)合材料主要包括石墨烯/聚合物、石墨烯/無(wú)機(jī)二元復(fù)合材料。正電子和其他復(fù)合材料。主要用于傳感器、涂料、導(dǎo)電絲、催化劑和電極材料等領(lǐng)域，石墨烯復(fù)合材料的優(yōu)良性能有：石墨烯具有優(yōu)異的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、韌性、透光性和致密性?？蓪?duì)塑料和橡膠基體進(jìn)行綜合改性，提高半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電性、強(qiáng)度和韌性。同時(shí)，石墨烯結(jié)構(gòu)緊湊、穩(wěn)定，可作為防腐基材與活性介質(zhì)之間的阻隔層，達(dá)到良好的性能和保護(hù)功能。

我國(guó)石墨烯復(fù)合材料的工業(yè)應(yīng)用受到技術(shù)和市場(chǎng)因素的限制：就技術(shù)而言，顆粒石墨烯表面光滑，顆粒石墨烯與其它材料之間的界面結(jié)合力不大，分散性不均勻；就市場(chǎng)而言，以下是石墨烯復(fù)合材料的工業(yè)應(yīng)用。石墨烯熱導(dǎo)致石墨烯產(chǎn)能過剩，下游需求疲軟，定位不清，真正的石墨烯生產(chǎn)產(chǎn)品很少，但目前，石墨烯油墨技術(shù)和石墨烯增強(qiáng)塑料技術(shù)非常成熟，已進(jìn)入工業(yè)化階段，其中石墨烯熱主要用于印刷。、印刷（3D打?。┑阮I(lǐng)域，后者主要應(yīng)用于汽車、船舶、航空航天、體育器材等領(lǐng)域，另外石墨烯導(dǎo)熱膜和石墨烯防腐涂層技術(shù)相對(duì)成熟，處于工業(yè)化初期，前者主要應(yīng)用于移動(dòng)電話。ES、計(jì)算機(jī)、照明等，后者主要應(yīng)用于船舶、電網(wǎng)、光伏設(shè)備等領(lǐng)域。



石墨烯因其獨(dú)特的性質(zhì)而備受期待。但是，石墨烯制備技術(shù)的基礎(chǔ)和應(yīng)用研究還需要加強(qiáng)和深化，需要不斷突破工藝參數(shù)、質(zhì)量性能、規(guī)模和生產(chǎn)成本等諸多問題，因此，盡管石墨烯產(chǎn)業(yè)化道路曲折，但前景光明。

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