[石墨烯是由碳原子組成的只有一層原子層厚度的二維晶體，作為唯一的二維碳材料，結(jié)構(gòu)的特殊性也讓其在性能上呈現(xiàn)出其他碳材料所不具備的優(yōu)勢(shì)——強(qiáng)度高、韌性強(qiáng)、透光率高、重量輕、導(dǎo)電性佳、導(dǎo)熱性?xún)?yōu)。]
[看似簡(jiǎn)單的提取方式雖然可以獲得高品質(zhì)的石墨烯，但石墨烯的大小只能靠運(yùn)氣且很難實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，因?yàn)?毫米厚的石墨薄片就能剝離出300萬(wàn)層石墨烯。除此之外還有氧化還原法、化學(xué)氣相沉積法、超聲剝離法等。]
[推至科研角度而言，中國(guó)在石墨烯研究處于世界領(lǐng)先位置。根據(jù)中華人民共和國(guó)知識(shí)產(chǎn)權(quán)局、Wind數(shù)據(jù)庫(kù)資料，2015年中國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)數(shù)量達(dá)7925個(gè)，居全球第一。而從專(zhuān)利布局來(lái)看，企業(yè)和學(xué)?？傉急冗_(dá)80%以上，公司占比低于學(xué)校，產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程提速有限。]
[目前，國(guó)內(nèi)能夠規(guī)?；慨a(chǎn)的石墨烯公司只有少數(shù)幾家。記者查詢(xún)了各家官網(wǎng)公開(kāi)資料，如常州第六元素材料科技股份有限公司2013年11月，一條年產(chǎn)100噸氧化石墨(烯)的自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)宣布投產(chǎn)，并預(yù)計(jì)2016年可年產(chǎn)1000噸粉體石墨烯，銷(xiāo)售收入超過(guò)6億元。]
作為21世紀(jì)最具顛覆性的新材料，自誕生之日起，石墨烯就成為科技界和資本界追逐的熱點(diǎn)，而其所承載的贊譽(yù)和爭(zhēng)議一樣多。
石墨烯是由碳原子組成的只有一層原子層厚度的二維晶體，作為唯一的二維碳材料，結(jié)構(gòu)的特殊性也讓其在性能上呈現(xiàn)出其他碳材料所不具備的優(yōu)勢(shì)——強(qiáng)度高、韌性強(qiáng)、透光率高、重量輕、導(dǎo)電性佳、導(dǎo)熱性?xún)?yōu)。
制造之難
在中科院上海微系統(tǒng)所(下稱(chēng)“中微所”)研究員丁古巧看來(lái)，獨(dú)特的結(jié)構(gòu)帶來(lái)的優(yōu)異性能從某種程度而言也成為石墨烯材料普及的制約因素?！皬牟牧辖Y(jié)構(gòu)而言，單個(gè)碳原子層組成的二維材料，沒(méi)辦法單獨(dú)使用，而石墨烯自身化學(xué)鍵飽和，又很難和其他材料復(fù)合?！倍」徘上蛴浾呓榻B道。
丁古巧所在的課題組從2009年就開(kāi)始進(jìn)行石墨烯材料的基礎(chǔ)科學(xué)研究，不斷追求更環(huán)保、更高質(zhì)量、規(guī)?；氖┎牧现苽浼夹g(shù)，在從通常使用的強(qiáng)氧化技術(shù)，逐漸發(fā)展到少使用或不使用強(qiáng)酸強(qiáng)氧化劑的機(jī)械剪切剝離技術(shù)。
這種剝離工藝和英國(guó)曼徹斯特大學(xué)物理學(xué)家安德烈˙海姆和康斯坦丁˙諾沃肖洛夫最初從石墨材料中分離出石墨烯的方法如出一轍，即利用每個(gè)原子層之間相對(duì)微弱的結(jié)合力，用透明膠帶粘住石墨片層的兩面，反復(fù)粘貼撕開(kāi)，直到獲得只有一層原子厚度的石墨烯。
看似簡(jiǎn)單的提取方式雖然可以獲得高品質(zhì)的石墨烯，但石墨烯的大小只能靠運(yùn)氣且很難實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，因?yàn)?毫米厚的石墨薄片就能剝離出300萬(wàn)層石墨烯。除此之外還有氧化還原法、化學(xué)氣相沉積法、超聲剝離法等。
“多數(shù)化學(xué)方法制備的石墨烯，并不是純石墨烯，其實(shí)質(zhì)為多層的石墨堆積，產(chǎn)品質(zhì)量無(wú)法得到保障;化學(xué)氣相沉積制備石墨烯薄膜成本高，成品率低，難以進(jìn)行批量化生產(chǎn)。”弗若斯特沙利文全球合伙人兼大中華區(qū)總裁王昕博士告訴記者。目前的石墨烯主要有兩種形態(tài)，一種是石墨烯薄膜，一種是類(lèi)似炭黑的石墨烯粉體，兩者的應(yīng)用方向也不盡相同。薄膜形態(tài)的石墨烯已經(jīng)可以大規(guī)模生產(chǎn)，包括重慶墨?？萍加邢薰尽⒊Ｖ荻S碳素、無(wú)錫格非等公司。
但石墨烯粉體則是爭(zhēng)議最為集中的領(lǐng)域。一些公司和機(jī)構(gòu)將單層和多層混為一談，將厚度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)10個(gè)原子層的石墨烯微片或石墨烯納米片也稱(chēng)為石墨烯。“目前國(guó)內(nèi)很多公司號(hào)稱(chēng)可以做100噸、500噸甚至上千噸，夸大成分比較大，且大部分并不是真正的石墨烯，非專(zhuān)業(yè)人士很難分辨清楚?！倍」徘烧f(shuō)道。
科研和產(chǎn)業(yè)未有效銜接
目前我國(guó)的石墨烯生產(chǎn)企業(yè)已經(jīng)超過(guò)百家，尤其在常州、青島、重慶、無(wú)錫、深圳等地形成了產(chǎn)業(yè)集群。但與海外三星、IBM、諾基亞、英特爾、陶氏化學(xué)等大公司推動(dòng)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用不同，中國(guó)的石墨烯生產(chǎn)多集中于中小型公司，大型企業(yè)較少參與。
但推至科研角度而言，中國(guó)在石墨烯研究處于世界領(lǐng)先位置。根據(jù)中華人民共和國(guó)知識(shí)產(chǎn)權(quán)局、Wind數(shù)據(jù)庫(kù)資料，2015年中國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)數(shù)量達(dá)7925個(gè)，居全球第一。而從專(zhuān)利布局來(lái)看，企業(yè)和學(xué)?？傉急冗_(dá)80%以上，公司占比低于學(xué)校，產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程提速有限。
而在王昕的觀察看來(lái)，“我國(guó)雖然科研人員和成果數(shù)量大，但高精尖的原始科研成果還較少，大多采用跟蹤研究的方法，重大創(chuàng)新還比較少，研究成果還主要集中在基礎(chǔ)研究領(lǐng)域，高端應(yīng)用技術(shù)還相對(duì)薄弱?！?/p>
空有產(chǎn)能銷(xiāo)量低迷
更為值得關(guān)注的是，應(yīng)用技術(shù)突破難導(dǎo)致產(chǎn)業(yè)鏈下游尚未形成，很多宣稱(chēng)能夠生產(chǎn)上百?lài)嵤┑墓荆沼挟a(chǎn)能，卻很難賣(mài)出產(chǎn)品。
目前，國(guó)內(nèi)能夠規(guī)?；慨a(chǎn)的石墨烯公司只有少數(shù)幾家。記者查詢(xún)了各家官網(wǎng)公開(kāi)資料，如常州第六元素材料科技股份有限公司2013年11月，一條年產(chǎn)100噸氧化石墨(烯)的自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)宣布投產(chǎn)，并預(yù)計(jì)2016年可年產(chǎn)1000噸粉體石墨烯，銷(xiāo)售收入超過(guò)6億元。
但根據(jù)2016年年中業(yè)績(jī)報(bào)告，2016年上半年凈利潤(rùn)為-1367.27萬(wàn)元，比去年同期下降38.83%。石墨烯粉體收入增加約122.71萬(wàn)元，觸摸傳感器收入增加了322.77萬(wàn)元，雖然產(chǎn)品下游市場(chǎng)應(yīng)用逐步打開(kāi)，但銷(xiāo)售遠(yuǎn)不及預(yù)期。而常州二維碳素材料有凈利潤(rùn)-521.4萬(wàn)元，青島華高墨烯明細(xì)利潤(rùn)-283.8萬(wàn)元。
空有產(chǎn)能，投入大量資金于設(shè)備、人員，卻很難賣(mài)出產(chǎn)品，成為我國(guó)石墨烯生產(chǎn)的尷尬現(xiàn)狀，由于下游需求未起，大部分石墨烯企業(yè)目前仍無(wú)法找到穩(wěn)定的商業(yè)模式和盈利模式。
在石墨烯行業(yè)專(zhuān)家看來(lái)，雖然從2015年開(kāi)始下游廠(chǎng)商對(duì)于石墨烯的應(yīng)用積極性大幅提升，但目前市場(chǎng)上大部分下游企業(yè)家對(duì)于石墨烯還停留在概念上，并不清楚怎么使用。
“不少企業(yè)購(gòu)進(jìn)石墨烯材料等相關(guān)產(chǎn)品后，不針對(duì)產(chǎn)品特性進(jìn)行加工工藝的改變。在這種情況下，石墨烯材料即使品質(zhì)再高，也難以發(fā)揮其優(yōu)越性，造成‘材料好、用不好’的現(xiàn)象屢屢出現(xiàn)。”王昕表示。
此外，從新材料到新產(chǎn)品轉(zhuǎn)變的周期較長(zhǎng)，下游企業(yè)必須確保添加石墨烯材料的產(chǎn)品具有穩(wěn)定性。拿電池生產(chǎn)企業(yè)舉例，一批產(chǎn)品約需3個(gè)月出試驗(yàn)結(jié)果，同款產(chǎn)品要做5~6批穩(wěn)定性試驗(yàn)才能確定其穩(wěn)定性，決定是否導(dǎo)入。
“石墨烯的成本過(guò)高、在鋰電池中工藝特性不兼容等問(wèn)題，使得‘石墨烯電池’這個(gè)技術(shù)接近于不存在。”王昕直言。
此外，一些企業(yè)粗制濫造生產(chǎn)的東西沒(méi)有人要，到處忽悠，使得市場(chǎng)對(duì)石墨烯的認(rèn)知模糊，而當(dāng)不成熟的產(chǎn)品盲目投放到市場(chǎng)，會(huì)帶有很大潛在風(fēng)險(xiǎn)，同樣是以電池生產(chǎn)為例，使用安全性究竟如何仍需要不斷測(cè)試。
產(chǎn)業(yè)化路徑
在石墨烯產(chǎn)業(yè)化方面，國(guó)外大公司的推動(dòng)力量尤為明顯。以韓國(guó)為例，由于石墨烯在三星的主營(yíng)業(yè)務(wù)領(lǐng)域均有著重大的應(yīng)用前景，因此對(duì)于石墨烯的研究應(yīng)用極為重視，不僅成立了自己的研發(fā)中心，還和韓國(guó)成均館大學(xué)合作，積累了大批石墨烯相關(guān)的技術(shù)專(zhuān)利。
而在美國(guó)擁有IBM、英特爾、波音等大公司，有利的創(chuàng)業(yè)環(huán)境催生了眾多小型石墨烯企業(yè)，形成了較為完整的產(chǎn)業(yè)鏈，覆蓋從制備及應(yīng)用研究到石墨烯產(chǎn)品生產(chǎn)，直至下游應(yīng)用全環(huán)節(jié)，加速了石墨烯的產(chǎn)業(yè)化和應(yīng)用進(jìn)程，產(chǎn)業(yè)布局呈多元化。
在中國(guó)“企業(yè)+研發(fā)機(jī)構(gòu)+孵化器+加速器”的發(fā)展模式尚在摸索起步階段，石墨烯產(chǎn)業(yè)化技術(shù)路線(xiàn)和產(chǎn)業(yè)化路線(xiàn)及產(chǎn)業(yè)發(fā)展的階段目標(biāo)、重點(diǎn)任務(wù)、重大工程等仍需要進(jìn)一步明確。
下游應(yīng)用反饋到科研方面，下游應(yīng)用商到底需要什么性能的產(chǎn)品，能夠接受的價(jià)格是怎樣，想要應(yīng)用于哪些領(lǐng)域，科研機(jī)構(gòu)才能更具針對(duì)性地進(jìn)行研發(fā)。
“只有得到下游應(yīng)用需求的支撐，石墨烯產(chǎn)業(yè)才能真正散發(fā)出生命力和可持續(xù)性。”王昕表示。
