石墨烯产业化发展的制约因素与对策

摘要：石墨烯是一种具有优良物理特性的新材料，可广泛应用于新能源电池、移动设备、生物医药等领域。近年来，世界各国加强了对石墨烯的研发投入与产业化部署，但其产业化进程受到技术成本过高及产业链闭塞等的严重阻碍。本文重点分析了石墨烯产业化进程中面临的生产制备技术不成熟、缺少高附加值创新产品以及石墨烯全产业链尚未打通等三个重要制约因素，从创新环境、技术联合攻关以及打通上下游产业链等方面提出有关对策建议。

关键词：石墨烯产业化 制约因素 对策

石墨烯是由碳原子组成的只有一层原子厚度的二维晶体，主要制备来源是石墨与甲烷。石墨烯是一种有着高强韧性的超薄材料，断裂强度较大，超过钢材200倍；弹性较好，拉伸幅度超过20%；导电性能优异。2004年，英国曼彻斯特大学盖姆教授和诺沃肖洛夫教授从原生石墨中成功制备单层晶体石墨烯，证实了石墨烯可以在自然环境中存在。两人因此发现获得2010年诺贝尔物理学奖。

由于有着诸多优异的物理性能，石墨烯被视为引领多项产业革命的关键材料。在移动设备、新能源电池、航空航天、生物医药等领域，都有着十分广阔的应用前景。目前，实验室研发的石墨烯聚合材料电池，其成本较传统锂电池降低77%，重量仅为传统电池的50%，储电量是市场现有最好产品的三倍。石墨烯聚合材料电池可以有效解决电动车远距离充电难题，充电8分钟即可使电动车行驶里程超过800公里。

一、石墨烯产业现状

（一）欧美发达国家石墨烯产业现状

近年来，美国、欧洲、日本、韩国等国家对石墨烯投入了大量人力财力，石墨烯相关扶持政策与产业化研究也提上议程。2013年1月，欧盟委员会将石墨烯列为未来新兴技术的支柱材料之一，拿出10亿欧元专项资金资助石墨烯制备与应用研究工作。英国专门建立石墨烯研究所，投资超过7000万英镑用于石墨烯项目研究，确保本国在石墨烯产业化领域处于相对领先水平。美国国家自然科学基金会资助了超过500项有关石墨烯的研究，重点包括石墨烯制备、石墨烯复合材料生产、存储器件开发和石墨烯生物传感器等方向。美国国防部与国防高级研究计划署也开展了多项石墨烯研究项目，以开发更轻更小、更快和更高频的电子器件为核心目的。

石墨烯产业化方面，欧美等国家也开始逐步部署一些项目。美国在俄亥俄州资助了一家纳米高科技企业开展石墨烯复合锂离子材料电池的商业化生产研究；硅谷也有不少企业获得资助开展高灵敏度石墨烯基质的NOx探查器研究。日本经济产业省支持国内高新技术企业开展超轻、高强度创新复合材料研究，并把重点放在碳纳米管和石墨烯商业化批量合成技术的研发与应用。

（二）我国石墨烯产业现状

我国石墨的储量、产量及出口量均居世界之首，其中石墨产量约占世界总产量的45%，在石墨烯的产业化进程中拥有一定优势。石墨烯研究刚刚起步之时，我国就重视对石墨烯研发的资金支持。2007年以来，国家自然科学基金会有关石墨烯的资助项目超过1000项，主要资助领域包括石墨烯制备、石墨烯负极材料可控研究、碳基纳米复合材料研究、高效石墨烯/半导体纳米结构异质节研究等。目前为止我国拥有全球超过三分之一的石墨烯研发专利，在石墨烯制备、性能研发等方面走在了世界前列。尤其是“十二五”期间，我国石墨烯材料及应用在技术研发、生产工艺等方面取得了重要突破，各领域应用效果逐步显现，石墨烯产业化步伐明显加快。2013年7月，在中国产学研合作促进会的支持下，多家机构共同发起成立中国石墨烯产业技术创新战略联盟，在无锡、常州、青岛、宁波和重庆各省市建立了多个石墨烯工业园。2015年12月，京津冀石墨烯产业发展联盟在北京正式成立，该联盟由中关村华清石墨烯产业技术创新联盟、东旭光电、清华大学、北京大学、中科院国家纳米研究中心、天津大学、河北工业大学等单位联合发起。

二、石墨烯产业化进程面临的问题

（一）大规模高质量石墨烯制备关键技术发展面临瓶颈

目前石墨烯的制备多以石墨为原料，主要制备方法包括机械剥离法、液相剥离法、化学气相沉积法和化学氧气还原法等。其中机械剥离法成功率低，无法工业化生产；液相剥离法产品质量较高，但产出率非常低，无法大规模生产；化学气相沉积法制备成本较高，工艺复杂，所需设备价格昂贵；化学氧气还原法成本低廉且容易实现，成为制备石墨烯的最佳方法，可制备稳定的石墨烯悬浮液，但产业化制备易带来废液污染，且制备的石墨烯存在五元环、七元环等拓扑缺陷或―OH基团的结构缺陷，导致石墨烯部分电学性能的损失，使石墨烯的应用受到限制。随着研发的深入，石墨烯制备方法取得重大创新，但低成本制备大面积、单层、高纯度石墨烯的技术和工艺仍不成熟，成为制约石墨烯规模化生产和商业化应用的瓶颈。

（二）石墨烯高附加值领域技术创新亟待突破

近五年来，石墨烯技术专利申请量呈现快速发展之势。截至2015年4月，全球石墨烯专利公开数量达13923项，我国石墨烯相关专利申请量占到全球专利数的1/3。然而专利申请多以低附加值产品为主，在半导体器件、触摸屏、传感器、生物医药等附加值较高的应用领域创新能力较弱，相关研究仍停留在实验室阶段。

随着我国石墨烯研发技术的深入发展，从近两年专利申请看，石墨烯制备技术创新、聚合物复合材料等领域的专利数占比越来越多。部分高附加值石墨烯专利申请的出现标志着我国石墨烯高附加值领域技术创新有了长足进步，但现阶段技术工艺仍然以实验室研发为主，产业化进程仍然前路漫漫。

（三）产业链上下游尚未打通

当前，我国石墨烯产业的上游资源企业往往以出口低品质的天然石墨矿为主，售价仅为几千元一吨；而高品质的石墨复合产品进口价格超过10万元一吨。由于目前石墨烯制备方法存在一定的缺陷，石墨烯产品性能不太稳定，价格也相对较高，下游企业多处于观望状态，导致石墨烯研发制备企业和下游应用企业脱节。此外，石墨烯产业标准尚未建立。对于石墨烯制备、质量等级划分、应用等方面仍然没有国家统一标准，导致石墨烯产业链条没有相对稳定的基准价格与基准品质。现阶段石墨烯产品最大的需求市场仍然是科研院校和少量生产厂商，企业规模偏小、研发投入不足，大部分企业仍无法找到稳定的商业模式和盈利模式。

三、我国石墨烯产业化发展建议

（一）加大对石墨烯关键技术和工艺的集中攻关突破

各科研院所与企业，包括中科院、华为集团等应加大投入进行石墨烯关键技术和工艺的集中攻关。在此基础上，设立专项基金，采用资金扶持、政策倾斜等办法，鼓励优势企业、科研院所等机构联合攻关，争取在瓶颈性技术方面实现快速突破。投入资金打造开放式工程实验平台，在社科基金立项、高层次人才工程选拔等方面给予倾斜，大力培养石墨烯领域人才，推进重点技术、关键工艺的攻关，打造我国新材料产业发展的旗舰品牌。

（二）加强促进石墨烯产业发展的创新环境建设

尽快建立适合我国产业创新发展、与国际接轨的石墨烯产业链标准体系。在石墨烯的制备、质量等级划分、应用等方面，尽快制定完善行业标准，掌握未来产业发展的制高点。进一步推进石墨烯产业关键技术知识产权保护体系建设，对于石墨烯产业相关的技术专利，要加快验收进度，着重提高技术创新质量，实现关键领域应用。与此同时，进一步加快研究石墨烯材料认证技术，提高质量性能、发展高端品种，对于高附加值产品与专利，要给予政策与资金扶持，促进高精尖石墨烯产品的产业化推广，以点带面带动石墨烯产业化进程。

（三）加强对石墨烯产业链上下游产业的投融资引导

在“十三五”规划建议的基础上，加强石墨烯产业发展的顶层布局。建立石墨烯产业发展国家规划，防止一窝蜂式的资源浪费。对于技术储备充足、资金力量雄厚的地区要重点扶持。在现有的石墨烯产业园基础上，通过鼓励社会资本投入，发挥税收、财政、专项资金、土地租房费用减免等引导调节作用，推进产业上下游协同创新，开展应用示范推广，弥补产业发展短板，提升我国石墨烯产业的全球竞争力。

参考文献：

[1]钱伯章.石墨烯材料制备技术与应用研究进展[J].石油和化工节能，2016（1）

[2]牛禄青.我国石墨烯产业化的历史机遇[J].新经济导刊，2014（10）

[3]工信部电子信息司召开石墨烯应用技术研讨会[J].电子世界，2016（2）

[4]王玉姣，等.石墨烯的研究现状与发展趋势[J].成都纺织高等专科学校学报，2016（1）

（随志宽，1987年生，山东济宁人，国家信息中心助理研究员。研究方向：区域经济和产业经济。吕欣，1977年生，河北赵县人，国家信息中心副研究员。研究方向：宏观信息政策和大数据、网络空间安全。孙一丹，1993年生，河南鹤壁人，中国人民大学硕士生。研究方向：统计方法和大数据应用）