工業和信息化部出版物：探討石墨烯新材料開發應用的現狀和挑戰

工業和信息化部出版物：探討石墨烯新材料開發應用的現狀和挑戰

盡管中國石墨烯工業擁有許多專利，但四分之三以上的專利來自學術機構。企業對石墨烯研發的參與有待進一步提高。高價值專利很少。技術與市場的供求不匹配。技術研發、轉移和擴散以及第一次商業化的鏈條需要打開。

石墨烯作為一種新型的碳材料，自發現以來，引起了世界各國科學家的廣泛關注，因其結構穩定、導電率高、韌性和強度高等優異的物理化學性能而被譽為新材料之王。石墨烯已廣泛應用于電子、儲能、復合材料、航空航天等領域，在我國制造業從大到強的過程中，石墨烯產業的發展對促進相關下游產業的技術進步、增強創新能力、加速發展具有重要意義。推動制造業轉型升級，抓住制造業新一輪競爭的制高點，激活潛在消費。

整個石墨烯產業鏈分為上、中、下游，上游主要是生產石墨烯的原料產業，中部主要是各種石墨烯產品。下游是石墨烯的應用領域，如半導體、電子器件、環保、醫藥、生物和散熱。

到目前為止，全球已有數千家從事石墨烯相關研發的公司，包括IBM、英特爾、美國Sundish、陶氏化學、通用汽車、杜邦、施樂、三星、洛克希德馬丁、波音、索尼、華為等科技巨頭，戰略研究所發布的《2017年全球石墨烯行業研究報告》。2017年中國石墨烯產業技術創新聯盟（Alliance for Technology Innovation of China's Graphene Industry）顯示，到2020年，全球石墨烯市場價值有望達到1000億元，從整個產業鏈的市場規模和過去幾年的復合增長率來看，預計未來石墨烯產能將達到萬億元。特別是在未來5-10年，隨著石墨烯應用市場的不斷擴大，石墨烯的原材料及下游應用產品將繼續顯示出巨大的市場前景，并在許多領域產生預期的經濟價值。

2009年之后，全球石墨烯技術的專利申請數量迅速增加。中國是世界上最大的國家，共有24942件專利申請和22418件公開申請，增長了59.46%（截至2015年9月，專利申請14098件），美國是第一梯隊國家，韓國和日本是第二梯隊國家，德國、英國、法國和俄羅斯也提出了一系列專利申請。中國和美國在石墨烯技術專利申請方面處于領先地位。

目前，世界上從事石墨烯工業研究的國家包括英國、美國、歐盟、韓國和日本，它們的發展狀況各不相同。

英國：作為石墨烯的誕生地，英國在石墨烯的基礎研究和開發方面處于世界領先地位，但很少有企業從事石墨烯的商業開發，因此石墨烯的應用并不強。為了加快英國石墨烯工業的研究和開發應用，英國政府在為加快石墨烯工業的發展投入了大量資金。工業布局主要圍繞曼徹斯特大學。為了加快石墨烯的基礎研究和應用開發，曼徹斯特大學先后成立了國家石墨烯研究所和石墨烯工程創新中心。

美國：美國投資石墨烯研究較早，石墨烯工業化和應用過程較快，產業布局也多樣化，產業鏈相對完整，基本涵蓋了從石墨烯產品制備和應用研究到生產的全過程。-下游應用不僅有IBM、英特爾、波音等眾多研發實力雄厚的大型企業，而且還生產了許多小型石墨烯企業。美國國防部和國家自然科學基金也投入巨資支持石墨烯產業的發展和產業化。石墨烯晶體管、儲能器和超級電容器領域。

歐盟：歐盟對石墨烯的研究起步早，系統性強，將石墨烯的研究提升到戰略層面，資金支持力度強，基礎研究扎實，但由于下游應用企業較少，產業化進程緩慢，石墨烯旗艦研究項目是其中一個t歐盟選定的技術旗艦項目，總投資10億歐元。本項目的核心內容是提出13個重點研究和開發領域，包括標準化、生物傳感器和生物界面、薄膜技術、能源應用催化劑、復合材料和能源應用功能材料、功能涂層和界面、GRM和Half。導體器件的集成新的層狀材料和異質結構，射頻應用的無源元件，硅光子學集成，石墨烯及其相關二維晶體和混合系統的原型研究，更新石墨烯及其相關二維晶體和混合系統的技術路線圖，以及開放主題等。

目前，歐盟有50多家公司在推動石墨烯的研發、產業化和應用，其中不僅有諾基亞、巴斯夫、拜耳等工業巨頭，還有許多小型專業化石墨烯企業，產業分布主要集中在德國、法國、西班牙等地。其他地方。



日本：依靠其良好的碳材料產業基礎，日本是世界上石墨烯研究最先進的國家之一。生產、教學、科研緊密結合，整體發展較為全面，東北大學、東京大學、名古屋大學、日立、索尼、東芝等多所大學投入大量資金和人力，致力于石墨烯的基礎研究和應用開發，重點是石墨烯的開發。亞phene薄膜、新能源電池、半導體、復合材料和導電材料。

就專利數量而言，我國石墨烯領域的專利申請主要集中在長三角地區，江蘇排名第一（4102），廣東（2537），北京（2333），其次是東北和西部。

從產業集聚的角度看，目前國內石墨烯企業大多分布在東部沿海地區，特別是長三角、珠三角、北京、天津、河北、山東等地，其中江蘇作為我國較早發展石墨烯的省份，已形成了一個以石墨烯為主導的產業集聚區。1+1+4產業創新模式，即以江蘇石墨烯產業技術創新戰略聯盟為產學研合作載體，以江南石墨烯研究院、江蘇工業技術研究院石墨烯材料研究院為產業創新。在常州、無錫、泰州、南京等地形成石墨，產業集群的產業創新布局縱橫相連，寧波市、浙江省作為中國最早開發和產業化石墨烯的地區之一，具有明顯的優勢、深厚的基礎和良好的環境。用于石墨烯的技術創新和工業發展。在石墨烯微芯片和石墨烯薄膜的制備和應用方面取得了許多突破，形成了一個全鏈發展模式。

2015年12月，京津冀石墨烯產業聯盟在北京成立，整合三地資源，加快低成本石墨烯和裝備技術產業化進程，形成京津冀戰略性新興產業高地，2016年石墨烯相關數量區內企業超過200家，其中石墨烯企業60多家。

以深圳為核心，珠江三角洲地區擁有中國最優秀的石墨烯應用市場，在能源、新材料、電子信息、耐磨設備、電動汽車等領域形成了產業集群，深圳市政府高度重視石墨烯產業，已成為我國石墨烯應用市場的重要組成部分。積極推動石墨烯技術研發和產業化，目前培育和引進了10多個具有國際影響力的研發團隊，建設了10多個研發創新載體，培育了20多家石墨烯相關企業。

山東石墨烯產業主要集中在青島和濟寧，經過幾年的發展，山東省初步形成了從石墨烯原料、設備到應用領域的初級產業鏈。

經過長期的自主研發，我國石墨烯的生產技術、工藝裝備和產品質量都取得了重大突破。然而，石墨烯大規模生產技術的成熟度仍然較低，存在著不同批次石墨烯產品質量不穩定、性能差異大等問題，雖然已建成噸級以上的石墨烯粉末生產線，但存在著質量低劣、質量低等問題。制備過程中的污染，不能反映出石墨烯的優良性能，嚴重阻礙了石墨烯的大規模應用，對于石墨烯粉體而言，在商用石墨烯產品中存在著尺寸和層數不均、單層石墨烯含量低、遠低于理論值、不分級等問題。質量不穩定，成本高。對于石墨烯薄膜，由于生長過程和轉移過程引起的表面污染，不可避免地會產生結構缺陷，由于其具有高的遍歷電阻，因此不能應用于電子器件和半導體工業等高科技領域，應適合于匹配其優良的電性。SE問題不僅是下游應用突破不暢、沒有出現殺手锏應用的原因，而且導致石墨烯材料生產企業產能閑置、無產出。

石墨烯由于其獨特的層狀結構和性能，在功能涂料中有著廣闊的應用前景，但由于其與水、有機溶劑和聚合物的相容性差，改性工藝復雜，操作條件惡劣，限制了其在工業涂料中的應用，因此迫切需要對其進行創新。研究了石墨烯功能改性的方法，研究了石墨烯在涂層材料中的作用機理，為石墨烯復合功能涂料的大規模應用提供了理論依據。

石墨烯具有很高的楊氏模量和固有強度。它可以用來控制石墨烯的界面性質，如疏水性，以提高聚合物材料的力學性能和耐磨性，但目前石墨烯在復合材料領域應用的最大問題是結構完整的石墨烯表面不含任何基團。具有較低的表面能、惰性和弱的與其它介質的相互作用，石墨烯片層間有較強的范德華力，使片層易于堆積和團聚，不易分散，不易溶于溶劑，更難與其它有機或無機材料復合，因此e、石墨烯在復合材料領域應用的未來發展方向是根據不同復合基體體系的具體表面性能要求，通過共價鍵功能化控制石墨烯表面的不同官能團，獲得具有特定表面性能的石墨烯產品。解決了石墨烯在復合材料中的分散和界面相容性問題，實現了石墨烯在基體中的分散和界面相容性，形成了連續的網絡結構，有效地發揮了石墨烯的優良性能。

與目前常用的金屬（金、銀、銅）導電填料相比，石墨烯導電填料具有更穩定的性能、更少的氧化性和更強的粘附性，石墨烯填料在導電性方面具有更大的優勢，國外石墨烯導電油墨正處于試驗研究和開發階段，正在工業上應用。條紋布局。目前，石墨烯導電油墨的電性能介于銀漿和碳漿的方形電阻之間，只能滿足低導電性的要求。長遠的發展方向是在考慮石墨烯的柔韌性的前提下，獲得導電性較高的石墨烯導電油墨。滿足柔性屏、柔性印刷電路板等電子元器件的要求。

石墨烯比表面積大，導電性好，化學穩定性好，機械性能優異，在鋰離子電池和鋰硫電池的儲能和轉換方面具有巨大的潛力，西北地區的研究人員采用自組裝方法制備了Fef3/石墨烯陰極材料。埃恩大學。經過100次循環后，該材料的比容量仍為260 mAh.g-1，是商用陰極材料的兩倍，他們粗心大意地制備了硅/多孔石墨烯薄膜負電極材料。經過200次循環后，該材料仍具有1500 mAh.g-1的容量，但由于石墨烯的比表面積較大，鋰鹽電解質可在石墨烯表面形成鈍化膜（SEI），其消耗量高達第一放電容量的30%-50%，導致第一循環庫侖效率較低，此外，還有目前石墨烯制備技術存在單分子膜少、體積小、分布不均、批量生產難以穩定、性能難以準確控制等瓶頸問題，目前還沒有商業推廣，未來的發展方向主要是建設高質量的石墨烯制備工藝。層狀石墨烯復合結構，納米多孔表面均勻分布，層間緊密接觸，提高正負材料的容量、功率和循環壽命。

石墨烯在導電性和導熱性方面遠優于硅和其他傳統半導體材料。隨著集成電路制造技術的不斷進步，硅晶體管的尺寸已接近極限（15甚至小于10納米）。石墨烯有望取代硅作為新一代電子元器件材料，目前石墨烯薄膜在半導體信息產業的應用中最大的問題是大面積石墨烯薄膜是零帶隙材料，因此很難將晶體管關斷為通道，并且一直存在著差異。很難實現石墨烯晶體管的高開關比。

未來，石墨烯的主要方向是通過摻雜晶格結構中的碳原子、構建多維納米結構或形成異質結來克服零帶隙問題，從而實現高開關比。

石墨烯工業雖然取得了令人稱奇的成績，但從石墨烯工業發展階段來看，仍處于大規模工業化的前夕，總體上還存在一些亟待解決的問題。

經過多年的自主研發，石墨烯的大規模生產技術、工藝裝備和產品質量都取得了重大突破。然而，石墨烯大規模生產技術的成熟度仍然較低，存在著不同批次石墨烯產品質量不穩定、性能差異大等問題。

就石墨烯粉體而言，商用石墨烯產品存在粒徑和層數不均、單層石墨烯含量低、比表面積比理論值低得多、無分級、成本高等問題，不能真實反映石墨烯的各種優良性能；石墨烯表面完整的結構不含任何基團，與其它介質的相互作用較弱，因此很難分散，在溶劑中，與其它有機或無機材料較難均勻地復合。

對于石墨烯薄膜，現有產品存在生長過程中不可避免的結構缺陷和轉移過程中的表面污染。它們通常具有很高的電阻，不能應用于應與其優良電性能相匹配的領域。

從未來技術來看，我國石墨烯技術專利大多是地方專利申請。國外專利布局相對薄弱。其中一些可以被外國專利引用。專利質量普遍較低，缺乏基本的核心專利。

在電子信息、生物醫學、節能環保等戰略性高新技術領域，石墨烯已基本被美國、歐洲、韓國和日本壟斷，特別是在我國，石墨烯企業主要是小微企業和初創企業。資金短缺，研發薄弱，市場發展乏力。解決石墨烯的技術瓶頸，促進石墨烯材料的應用，擴大石墨烯產業規模，存在諸多困難，如果沒有良好的技術創新、研發、成果轉移和擴散機制，勢必導致石墨烯長期發展的弱點。

石墨烯是一種較年輕的材料，僅發現10多年，從應用現狀來看，石墨烯主要用于初步應用。大部分產品采用石墨烯與原材料相結合的方式來提高產品性能。技術門檻相對較低，同質化情況嚴重，雖然石墨烯下游應用產品已初步工業化，但真正意義上的殺手級應用還沒有誕生，雖然我國石墨烯行業擁有多項專利，但其中四分之三以上來自學術機構。企業對石墨烯研發的參與有待進一步提高。高價值專利很少。技術與市場的供求不匹配。技術研發、轉移和擴散以及第一次商業化的鏈條需要打開。

在石墨烯標準體系方面，石墨烯及其相關產業日益成為資本市場的熱門概念。然而，由于缺乏石墨烯材料的分類、術語、檢測方法等國家標準，以及石墨烯產品的集團或行業標準，導致石墨烯產品混和現象十分嚴重，產品質量參差不齊，許多企業沒有石墨烯A的大規模生產能力。全部。石墨烯概念的過度炒作嚴重影響了石墨烯工業的良性發展。因此，建立石墨烯的標準體系，規范我國石墨烯工業的發展已迫在眉睫。

一是大力加強石墨烯創新能力和創新體系建設，重點培養石墨烯行業的技術創新人才。依托石墨烯創新中心和石墨烯研究所平臺，開展頂層設計和共性關鍵技術攻關，將面向應用的石墨烯材料穩定制備和分散技術等關鍵技術納入重點支持項目。石墨烯的發展。旅游企業和科研院所共同應對關鍵問題，根據當地石墨烯產業的發展特點和優勢，選擇關鍵應用突破，特別是在芯片、微電子等高端應用領域。

二是積極推進下游應用技術突破。針對石墨烯材料的應用難點、下游的可承受性、潛在的應用規模和地方優勢產業，選擇一批具有良好工業化前景、技術成熟、地域眾多的石墨烯產品進行下游應用對接，形成應用需求。傾盆大雨。

第三，根據石墨烯產業發展和下游應用的現狀，選擇了一批成熟的石墨烯及其應用產品，從石墨烯的產品定義、性能、存在形式和用量等方面制定了一系列國家和行業標準，以提高其市場占有率。研究制定石墨烯行業規范，從產業布局、生產工藝和設備、清潔生產和質量管理等方面提出石墨烯行業準入門檻，防止低水平重復建設，加強環境保護。

第四，建立石墨烯產業發展基金，通過政策支持和社會資本參與，支持關鍵技術問題。

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