如何破冰（bīng）啟動石墨烯高技術壁壘黑金產業化

如何破冰啟動石墨烯高技術壁壘黑金產業化


石墨烯因其優越性受到資本的高度追捧。它的準備和（hé）應用存在技術和成本（běn）瓶頸（jǐng）。它的高估和預期需要理性回歸。

石墨烯的概念最早提出於20世紀（jì）40年（nián）代末，1987年首次被（bèi）定義為石墨中碳原子的平麵結構。隨著石墨（mò）烯研（yán）究和（hé）發展的不斷發展，特別是在2010年將石墨烯（xī）諾貝（bèi）爾獎授予科斯特亞·諾沃（wò）塞洛夫和安德烈蓋姆之後，石墨烯的概念和內涵被擴展後，根據（jù）石墨（mò）烯聯盟（T /CGIA 001-2017）1的標準，石墨烯（xī）是指每一個碳（tàn）原子與SP2雜（zá）化並（bìng）與三個相鄰的碳（tàn）原（yuán）子鍵合而成的具有蜂窩狀（zhuàng）結構的單層碳原子，即石墨烯是一種二維碳納米材料，由六角H組成。石墨（mò）烯是由緊密拓撲結構形成的單原子石墨。嚴（yán）格地說，由單層原子組成的二維六角形晶格是石墨烯（xī）的固有結構，也是許多碳材料的組成單元，其晶格結構非常緊湊，可以阻（zǔ）擋（dǎng）最小氦分子的通過（guò），此外，雙層和少數分子的結構和性（xìng）質拉斐特片與大塊石墨有很（hěn）大的區別，因此它們都屬於石墨烯的大類（lèi），隨著連接碳（tàn）原子數量的增加，碳原子平麵在二維（wéi）空間內膨脹，在法向上變厚，從而導致（zhì）石墨烯材料的兩種（zhǒng）不同的宏（hóng）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（mò）烯的分類層次如圖1所示。

1本標準由英國（guó）國家物理實驗室（NPL）製定，旨在為新興的全球石墨烯工業提（tí）供一致的標準，並加速以石墨烯為代表的二維材料的商業發展。

石墨烯（xī）具有優異的機械、熱學、光學、電學和微觀量子性質（見表1）。石墨烯（xī）是一種具有最高強度、最佳（jiā）韌性、最輕、最薄、最（zuì）佳透明（míng）度、最大比表麵積、最高熱導率、最佳阻隔性和最佳導電性的新型前沿材料，其獨特的結構決定了其作為顛覆性（xìng）材料的優越性。與傳統材料相比（bǐ），具有不可比擬的應用價值。未來，石墨烯有望在能（néng）源、電子、信息、環境處理和生物醫學等領域獲得輝煌的發展。可以極大地促進相關產業的迭代升級，具有巨大的市場前景（jǐng）。

一般來說，石墨烯的價值（zhí）主要體現在兩個方麵：一是對傳統材料的改進和應用提（tí）供強有力的（de）支（zhī）持；二是石墨烯可以衍生出一係列性能優（yōu）良、功（gōng）能多樣的組分，這將導致（zhì）F的革命性變化。因此（cǐ），石墨烯有望改變現有的競爭格局，成為引領（lǐng）新一代（dài）工業技術革命和高新技術競爭市場的戰略技術。

資料來源：石墨（mò）烯魔（mó）幻材料的介紹及應用前景，國海證券研（yán）究所、方向誌（zhì）昌研究所（suǒ）整理分析。

科學研究和工業界對石墨烯技術的突破（pò）性研發（fā）和（hé）顛覆性（xìng）應用都抱有很高的期望，並參與了石墨烯的科學研究和應用開發。美國、中（zhōng）國、英國、日本（běn）、韓國、德國（guó）等國在世界（jiè）將著眼（yǎn）於石墨烯技術（shù）的開發和（hé）應用作為一項長期戰略，通過政（zhèng）策激（jī）勵、資金支持等方式部署石（shí）墨烯相關的研發項目和商業應用，力（lì）爭（zhēng）搶占石墨烯產業（yè）的高端價值鏈，從專利應用的角度出（chū）發，將石墨烯技術作為一項長期戰略。2010年以來，石墨烯專利申請（qǐng）量逐年增加，2017年已（yǐ）躍升至13000多件（見圖2），中國專利申請占全球石墨烯生（shēng）產專利的45%，其次是美國（guó）和日（rì）本，表明中國對全球石（shí）墨烯形成了（le）更大的影響。研究：根據文章發表的分析，石（shí）墨烯的研究文獻呈指數增長。2017年，研究文獻總量約3萬篇（piān）（如圖2所示），表明石（shí）墨烯在研發上具有持續的熱，其基礎研究和技術創新（xīn）仍處於快（kuài）速發展階段（duàn）。

石墨烯的製備是石（shí）墨烯應用的先決條件，因此（cǐ）石墨烯的製備技術是石墨烯工業化過程中（zhōng）的核（hé）心技術，目前石墨烯（xī）工業正處於技術（shù）向商業演（yǎn）進的關鍵時期。成熟度高、成本低、結構和性能可控的大規（guī）模製備技術（shù）是石墨烯材料應（yīng）用的先決條件，也是目前研究的熱點，國際上已發表的石墨烯製備方法（fǎ）如圖3所示，根（gēn）據不同的宏觀形貌（mào）G石墨烯粉末和石墨烯薄膜，其製備方法可分為10層（céng）以下的石墨烯微片，而石墨（mò）烯薄膜（mó）的碳（tàn）原子層（céng）通常在1-4層之間（jiān）。

根據製備石墨烯的不同方法，其製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（shí）墨途（tú）徑）是指用物（wù）理方法破壞石墨層間範德華力製備單層石墨烯的方法，而自下而（ér）上途徑（碳aTOM路（lù）徑）是指通（tōng）過加熱、微波、電（diàn）子轟（hōng）擊（jī）等（děng）手段破壞碳碳-碳化學鍵（jiàn），實現碳化合物分解，然後在基體上生長（zhǎng）石墨烯的（de）方法。

石（shí）墨烯的製備方（fāng）法多種多樣，並不斷發展完（wán）善。我們力爭批量生產出具有可（kě）控層、大尺寸、高質量（liàng）、低成本的高品質石墨烯，主要製備方（fāng）法對應的石（shí）墨烯質量及其應用潛力如圖5和圖6所示，從圖中可（kě）以看出，氣（qì）相沉積法和氧化還原法被認為（wéi）是最主要的方法。大型石（shí）墨烯薄膜和粉末潛在的大規模和低成本製備方法。表（biǎo）2對上述主要方法的優缺點、產（chǎn）品特點和工業應用潛力進行了比較分析。很容易知道，這些方法（fǎ）各（gè）有優缺點，製造成本也各不相同。

石墨烯並不是（shì）一個新事（shì）物，隻有在石墨烯出現之前（qián），凝聚態物理理論才認為熱力（lì）學漲（zhǎng）落導致二維晶體在（zài）有限的（de）溫度下（xià）不存在，理論界和（hé）實驗界都證明，理想的二維結構不允許穩定存在（zài）。非絕對零（líng）度。石墨烯的成功製（zhì）備顛覆了這一觀點。事實上，石墨烯並不是一個完美的二（èr）維平麵結構，但存在（zài）著納（nà）米級的微波動，這就是為什麽石墨烯（xī）能夠保持自身的穩定性。石墨烯技術發展路線圖如圖7所示（shì）。

由於石墨烯的各種特性，其應用前（qián）景十分廣闊，主（zhǔ）要集中（zhōng）在新材料、新能（néng）源、電子信息、生物醫學、節能環保等領域，可以預見，隨著石墨烯製備和應用技術的不（bú）斷發展和成熟，石墨烯（xī）的爆炸效應將越來越明顯。石墨烯的應用（yòng）場景將給我（wǒ）們的生產（chǎn）和生活帶來更廣泛和深入的影響。一般來說，石墨烯的工業（yè）化有兩種方式：第一，石墨烯可（kě）以作為功能（néng）性添加劑的輔助材料，可以改變或提高基體的性能。此外，石（shí）墨烯還可以用作應用實踐的主要材料。石（shí）墨烯的應用如圖8所示。

石墨烯以其優異的（de）性能成為近（jìn）年來人們關注的焦（jiāo）點。特別是，國家在135個產品目錄中明（míng）確將石墨烯列為高端材料，中國製造（zào）2025年確定了石墨烯材料技術的發展路線，並先後計劃在中國建立一批石墨烯產業創新基地，也表明國家不遺（yí）餘力。支持石墨烯產業發展，政策引導和產業升級對促進石墨烯產業創新發展（zhǎn）具有雙重作用。同時，它也引發了石墨烯項目的熱（rè）潮，導（dǎo）致石（shí）墨烯市（shì）場的過度增長，如果能（néng）夠實現石墨烯的大規模生產和使用，石墨烯固（gù）有（yǒu）的優勢（shì）基因確實可以被視（shì）為材料（liào）的無冕之（zhī）王，但（dàn）對石墨烯（xī）抱有很高的（de）期（qī）望，卻能帶來新的對短期內經濟轉型的（de）預期

Gartner技術成熟（shú）度曲線反映了（le）人們對從實驗室開發到應用落地的新技術的期望，從石（shí）墨（mò）烯的Gartner技術成（chéng）熟度曲線來看，目前（qián）石墨烯（xī）行業處於媒體、風險投資等關注的高峰期，而不是發展高峰期，這表明石墨烯的發展是一種（zhǒng）新技術。NE技術還不成熟（見圖9）。

根據方祥誌義研（yán）究所對（duì）石墨烯技術應用成熟度曲線的解釋，石墨烯技術在不同應用領域的成熟度是不同的（de），但一般來說，石墨烯（xī）行（háng）業處於基礎技術研究（jiū）、應用技術開發和技術發展的關鍵階段。工業化，受工業化技術、裝備和技術瓶頸的製約。石墨烯技術與生產的距離受到工業化技術、設備和技術瓶頸的限（xiàn）製，成熟應用和大規模生產還有很長的路要走，因此，對石墨烯價值的高估和相關項（xiàng）目的發展趨勢應進行（háng）合理的檢討。

然而，技術的不成熟並沒有阻礙市場的想象，2017年，我（wǒ）國石墨烯相關業務上市公司達到4871家，新三板上市的石墨烯相關業務上市公司隻有5家，其中不屬於石墨烯主營（yíng）業務的上市公司53家，包括G 4新第三板，46 A股和3香港股。基本（běn）覆蓋石（shí）墨烯產業鏈的各個環節，其中石墨烯應用企業數量最多的是38家，占66%，主營業務集中在新能源和電子信（xìn）息領域，因此（cǐ），麵對石墨烯產業混眼的局麵，成（chéng）為成功投資的關鍵。主要是（shì）從砂中采金（jīn），挖掘具（jù）有實際投資價值的石墨烯企業。

通過（guò）對石墨烯技術發展水平和產業化現狀的分析，石墨烯未來可以突（tū）破（pò）以下兩（liǎng）個具有代表性的應用領域：

與傳統（tǒng）電池相比，石墨烯鋰電池（chí）的能量密度是傳統電池的三（sān）倍，石墨烯鋰電池的輸出能量也更高，石墨烯（xī）作為電池（chí）的負極可以顯（xiǎn）著提高充電速度，這是因為石墨烯和石墨烯為基礎。納米結構可以（yǐ）有效地解決能量密度限製（zhì）的問題，特別是石墨烯的高比表麵積可以增加鋰離子的吸收，加速界麵動力學，從而提高鋰電池的儲能能力和速率性能，同時具有優異的散熱性能。石墨烯的離子性能可以防止短路故障，提高電池的（de）使用（yòng）壽命，這得益於石墨烯的低電阻率。

雖（suī）然石墨烯鋰電池（chí）的應用存（cún）在諸多限製，但目前（qián），石（shí）墨烯鋰電池導電添加劑技術相對成熟，具有市場（chǎng）空間大、現有（yǒu）產品（pǐn）更換簡單、成本低的優點。這有望成為（wéi）石墨烯（xī）鋰電池應用的第一個突破點。

利用石墨烯等材料的優（yōu）異性能，可以產生協同（tóng）效應，不僅可以提高原材（cái）料的性能，而且可以獲得滿足不同（tóng）需要（yào）的性能優（yōu）異的新型複合材（cái）料，石墨（mò）烯複合材（cái）料主要包括石墨烯/聚合物、石墨烯/無機二元複合材料。正電子和其他複合材料。主要用於傳感器、塗料、導電絲、催化劑和電極材料等（děng）領域，石墨烯複合材料的優良性能有：石墨烯具有優異的導（dǎo）電性、導熱性、韌性、透光性和致密性。可（kě）對塑料和（hé）橡膠（jiāo）基體進行綜合改性，提高半導體材料的導電性（xìng）、強度和（hé）韌（rèn）性。同時，石（shí）墨烯結構緊（jǐn）湊、穩定，可作為防腐基材與活性介質之間的阻隔層（céng），達到良好的性能和保護（hù）功能。

我國石墨（mò）烯複（fù）合材料的工業應用受到技術和市場因素（sù）的限（xiàn）製：就技（jì）術（shù）而言（yán），顆粒（lì）石墨烯表麵光滑，顆粒石墨烯與其它材料之間的界麵結合力不大（dà），分散性不均勻；就市場而言，以下是石墨烯複合材料的工（gōng）業應用。石墨烯熱導致石墨烯產能過剩，下遊需求疲軟，定位不清，真正的石墨（mò）烯生產產品很（hěn）少，但目前，石墨烯油墨（mò）技術和石墨烯（xī）增強塑料技術非常成熟，已進入工業化階段，其中石墨烯熱主要（yào）用於印刷。、印刷（shuā）（3D打印）等領域，後者主要應用於汽車、船舶、航空航天、體育器材等（děng）領域，另（lìng）外石墨（mò）烯導熱膜和石墨烯防腐塗層技術相對成熟，處於工業化初期，前（qián）者主要應（yīng）用於移（yí）動電話。ES、計算機、照明等（děng），後者主要應（yīng）用於船舶、電網、光伏設備等領域。



石墨烯（xī）因其獨特的性質而備受期待。但是，石墨烯製備技術的基礎（chǔ）和（hé）應用研究還需要加強和深化，需要不斷（duàn）突破工藝參數（shù）、質量性（xìng）能、規模和生產成（chéng）本等諸多問題，因此，盡管（guǎn）石墨烯產業化道路曲折，但前景光明。

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