在刚刚过去的2015 年, 石墨烯不仅抢占了新材料领域的“头条”, 还受到了众多科研院校和企业的追捧, 有关石墨烯的消息也频频出现在各大媒体。笔者了解到, 仅2015 年黑龙江省就有几家企业相继建厂, 并与各大院校和科研院所合作开展石墨烯项目。
在短短的十几年时间内, 人们不仅耳熟了石墨烯, 也渐渐了解了石墨烯。那么, 目前我国石墨烯发展现状如何?何时才能真正实现工业化?我国石墨烯的发展存在哪些问题?如何促进石墨烯行业健康快速发展?业内人士发表了看法。
先导产业初打造
据复旦大学高分子科学系教授卢红斌介绍, 根据诺贝尔奖获得者Geim和Novoselov的定义, 石墨烯是指“具有蜂窝晶格结构的、单个碳原子厚度的二维碳膜”。然而, 学术上有许多研究涉及多层堆积的石墨烯片层, 因此, 现在人们往往将其分为“单层石墨烯”和“少层石墨烯” ( 小于10 层) ”, 而10 层以上的人们通常称之为“石墨微片”。这应该是目前石墨烯国家标准中最终确定的定义, 也是目前学术界广泛接受的观点。
清华大学材料科学与工程系教授沈万慈介绍, 继2004 年之后石墨烯在全世界都热了起来, 后来在国际会议上确定, 1 ~10 层公认为是石墨烯, 超过10 层以上的叫纳米石墨片。现在网络上也有叫类石墨烯产品或是多层石墨烯, 其中类石墨烯接近石墨烯, 但不是石墨烯, 多层石墨烯叫法也是错误的。真正充分表现石墨烯高强度、透光、导电性等特点, 是越薄越明显, 尤其是单层最明显。例如从透光率来说, 5 层以上基本不透光。
沈万慈还介绍, 目前石墨烯的制备方法基本有两类:一类是以氧化还原技术为代表的剥离方法;另一种是气相化学合成, 也就是CVD方法。这两类产品不一样, 用途也不一样。而目前用天然石墨等制备石墨烯, 最多采用的是氧化还原法, 用强氧化剂处理石墨成为氧化石墨, 然后使之剥离分散成为氧化石墨烯, 再经还原以后才是石墨烯。氧化还原法制备的是石墨烯粉体和浆料等, 通常计量单位为克、千克、吨等。采用CVD方法制备的是石墨烯膜, 成本较高, 但其利用价值也高。这类产品的计量单位是平方米。真正能够发挥石墨烯性能的, 特别是在电子产品上有应用前途的是石墨烯膜, 比如触摸屏等都是由石墨烯膜制成。
《“十二五”期间中国石墨烯行业深度市场调研与投资战略规划分析报告》显示, 我国已申请了2200 多项石墨烯专利技术, 占世界石墨烯专利总数量的1/3。实际上, 在“十二五”期间, 我国各地政府已经瞄准石墨烯这一新材料, 并相继成立了一系列石墨烯产业化基地, 包括宁波石墨烯产业园、常州江南石墨烯研究院、无锡石墨烯产业化示范区、青岛国际石墨烯创新中心和重庆石墨烯产业园。此外, 多个省份如安徽、黑龙江、湖南等也已开始着手筹划石墨烯产业发展规划。
经过几年的前期准备, 我国已将石墨烯列入“十三五”重点发展的基础新材料, 一系列相关政策也于近期出台。其中, 工信部、发改委、科技部于2015 年11 月30 日联合下发了《关于加快石墨烯产业创新发展的若干意见》 ( 简称《意见》) 提出, 把石墨烯产业打造成先导产业, 到2018 年, 石墨烯材料制备、应用开发、终端应用等关键环节良性互动的产业体系基本建立, 产品标准和技术规范基本完善, 开发出百余项实用技术和样品, 推动一批产业示范项目, 实现石墨烯材料稳定生产以及在部分工业产品和民生消费品上的产业化应用。到2020 年, 形成完善的石墨烯产业体系, 实现石墨烯材料标准化、系列化和低成本化, 建立若干具有石墨烯特色的创新平台, 掌握一批核心应用技术, 在多领域实现规模化应用;形成若干家具有核心竞争力的石墨烯企业, 建成以石墨烯为特色的新型工业化产业示范基地。
可以预见, 我国的石墨烯产业在“十三五”期间可望取得快速发展, 并拉动包括新能源、新材料以及交通运输、电力等诸多产业的发展。
携手共推促发展
如何让石墨烯产业快速健康发展, 是许多业内人士的目标, 也是正在寻找和研究的方向。面对几近疯狂的炒作和急功近利的现象, 在质疑石墨烯产业化之路到底有多长之时, 业内专家纷纷提出了自己的建议。
就产业发展, 沈万慈认为, 所谓先导产业, 就是石墨烯作为最基础的新材料, 带动下游产业应用, 形成产业链。目前的主要任务是踏踏实实做好石墨烯应用研发工作, 就是终端产品的研发。生产出终端产品, 市场认可, 有一定的需求量, 哪怕一年几百吨, 也能形成一个产业链。他分析, 前几年在制备方法上做了很多研究, 现在氧化还原方法已经比较成熟, CVD制备石墨烯膜也达到一定的规模。但现在终端产品基本上都是样品, 比如触摸屏、超级电容器、导电剂、海水净化膜等, 不是最终产品, 没有形成批量生产。一个材料如果没有应用市场, 不可能形成产业。所以, 要特别加强技术研发, 真正开发出终端产品并被市场认可。
沈万慈指出, 石墨烯应用的最重要领域是电子技术, 在微电子技术向纳电子技术的转型中, 石墨烯材料会起到主要作用。这方面的研究国内相对较少, 需要加强。
刘荣华则认为, 应该从国家层面统筹或规划石墨烯产业的发展, 每个地方应差异化发展, 避免同质化竞争, 避免产能过剩。地方政府也可以整合当地科研机构资源, 对接或服务这些石墨烯企业。此外, 政府还应出台相关政策来支持石墨烯产业发展。
北京有色金属研究院总院高级工程师刘冠伟认为, 氧化石墨烯以及石墨烯类物质从性能上来说不算太出众, 想要制备出高附加值、高技术含量的产品比较困难。制备高性能的石墨烯材料, 开发真正的高端用途, 可能更为符合国家希望依靠石墨烯实现做大做强中国工业, 实现产业升级的期望。
针对石墨烯产业的发展, 袁国辉也提出几点建议:一是制定国家石墨烯产业化发展战略和规划。在政府政策的引导下, 搭建好若干产学研研发平台或产业园区, 有针对性的重点布局, 重点攻关, 避免重复投入和低水平重复性研究。一方面, 要加强真正原创性的基础研究和应用基础研究;另一方面, 高度重视面向产业化的关键技术和工程化研究。二是在有发展条件和研发基础的地区, 建立若干石墨烯工程技术中心, 面向市场, 重点研发各具特色的石墨烯产业化技术及产品, 并进行推广。三是鼓励石墨烯材料及相关产品的应用技术研发和商业化生产, 可以采取多种措施, 鼓励具有研发和市场能力的企业做强做大, 要扶植起若干具有全局性作用的龙头企业。四是鼓励具有一定规模、具备发展潜力的石墨烯企业进入资本市场, 利用市场的力量规范石墨烯产业的发展。
同时, 袁国辉还对黑龙江省发展石墨烯提出了具体建议:一是在全省一盘棋的思想下, 规划以哈尔滨为中心, 建立石墨烯新技术、新材料、新应用研发, 产业技术孵化基地, 以鸡西、鹤岗为两翼, 建立石墨烯及高端石墨新材料生产基地;二是以哈尔滨万鑫石墨谷产业园为载体, 在哈尔滨市建立石墨烯产业研发及应用研究平台, 建设企业化运作、开放式的石墨烯研发、检测公共服务平台;三是省政府应给予石墨烯产业非常规、高强度支持, 设立专项资金给予石墨烯产业园区定向支持, 同时搭建融资平台优先支持石墨烯产业;四是设立专项资金, 支持天然石墨制备粉体石墨烯产业化关键技术研究和薄膜石墨烯制备关键技术研究, 支持石墨烯产品开发及应用技术研究;五是以黑龙江省石墨类新能源材料工程技术研究中心和贝特瑞—哈工大联合实验室为基础, 建设和申报国家级石墨新材料工程技术研发中心;六是设立专项资金, 鼓励企业参与相关石墨烯国家标准的制定工作, 促进黑龙江省石墨烯产业标准化建设。
概念炒作帮倒忙
虽然三部委的《意见》出台时间不久, 但石墨烯这一概念却早已深入人心。国内外各大媒体相继报道了石墨烯电池、手机屏等相关产品, 一些企业纷纷把发展导向引向石墨烯。几年时间里, 石墨烯就已在国内以迅猛之势发展起来, 不觉让人们惊奇石墨烯产业发展速度之快、产品性能之好。但是在这些“光环”和惊奇的背后, 一些业内专家对此提出了质疑。他们认为, 目前石墨烯产业的这种“红火”现象并不正常, 而且石墨烯产业目前来说是先导产业, 还没真正形成自己的产业, 发展背后还存在着一定困难和问题。
首先, 炒作、急功近利现象明显。现在只要随意在互联网上搜索石墨烯, 就会有大篇幅有关石墨烯、石墨烯电池的报道扑面而来。沈万慈认为, 现在对石墨烯炒作得太厉害, 有些东西不太真实。现在石墨烯产业确实正在发展, 而且发展势头非常好, 将来也会形成一个很大的产业。但是现在还没有真正形成产业。从产业发展情况看, 目前制备石墨烯的技术基本具备, 正在实现产业化, 如宁波墨烯、常州第六元素公司等, 建了每年百吨级生产线。不过真正的产量很有限, 卖出去的产品更少, 大多是送出去做实验用。
哈尔滨工业大学化工学院应用化学系教授袁国辉也认为, 目前, 国内的石墨烯研究存在太多急功近利的行为, 也存在太多的炒作嫌疑。比如, 我们经常可以在媒体上看到与石墨烯有关的研究进展和某种石墨烯产品的问世, 但实际进展、产业化研发和市场情况并不乐观。在石墨烯产品的产业化技术发展上, 存在一哄而上、炒作痕迹明显的现象。
那么, 是什么原因造成这种现象?业内人士分析称, 一是石墨烯概念炒得太火, 某些新闻媒体对石墨烯应用的报道存在偏差或夸大, 缺乏客观性, 导致相关部门或企业对于石墨烯的认识存在误区, 造成一种好像很简单, “短平快”一夜暴富的氛围。二是有个别企业想通过“引入”石墨烯, 从而得到国家和政府的资金支持等。
沈万慈认为, 不同于其他新材料产业, 石墨烯是一个高速发展的领域, 但同时也是处于成长过程中的新领域, 不是短时间内就能立竿见影看到效益。而这种一哄而上的现象, 造成的最大危害则是上一大批低端同质的项目, 实际上技术、人才、资金都不靠谱, 最终造成浪费, 给石墨烯产业健康发展帮倒忙。
中国非金属矿工业协会石墨专业委员会副秘书长刘荣华也指出, 目前全国有多个地方在规划石墨烯生产基地, 功能性都差不多, 未来会出现同质化竞争, 最终导致价格竞争, 不利于行业的发展。此外, 目前大部分石墨烯企业经济实力很弱, 基本都是科研院校的研究人员出来创业。而石墨烯产业是技术+ 资本密集型行业, 这些企业持续投入研发, 若没有外来资本介入, 这些石墨烯企业最终会退出该行业。
其次, 产业化制备技术还需要经受市场考验。沈万慈指出, 没有长时间批量生产的生产线都是不稳定的, 如果有市场连续生产都会有问题。所有产业都是这样, 第一批样品出来以后, 在运行过程中都会不断地出现问题, 不断改进, 最后才能形成成熟的技术及设备。
卢红斌认为, 多数企业采用的规模化制备技术需进一步完善, 这体现在多个方面, 如产品质量、环保压力、工艺过程优化和批次稳定性以及下游创新性应用的开发与推广。虽然石墨烯产业链初步形成, 但盈利能力不足, 这往往和技术革新进步以及企业运营模式密切相关, 研发投入普遍不足。
再次, 目前石墨烯生产企业多是小企业, 且融资困难, 在很大程度上制约着企业的快速发展。资本介入现阶段仍存疑虑, 观望中居多。“从产业技术研发的企业看, 国外长期系统性石墨烯研究的大多是具有雄厚实力的大企业, 或者是在政府支持下进行的系统性研发, 如三星、LG、IBM等国际大公司都投入大量的人力和物力, 对石墨烯进行长期的系统研究。欧盟更是投入巨资, 将石墨烯研究列入未来新兴旗舰技术项目, 并设立专项研发计划, 该计划将在未来10 年内获得10 亿欧元的经费。而国内多是小作坊式的企业, 真正有雄厚科研实力的大型上市公司的直接参与还较少, 缺乏龙头企业的引导以及雄厚的人力、物力和财力基础来支撑。”袁国辉这样表示。
因此, 石墨烯产业化还需要一段时间才能实现。沈万慈认为, 去年年末出台的《意见》中指出把石墨烯打造成先导产业, 但还没有形成产业。当前是从实验室走向产业化的关键时期, 并没有走向产业化, 短期内成支柱产业还不太可能。
卢红斌也分析称, 石墨烯制备技术虽已成熟, 但是在石墨烯陆续投放市场时, 还会经受市场的考验;针对下游应用领域, 科研人员还要进一步完善和优化技术, 针对每一个应用领域的要求, 优化每一个石墨烯产品的性能和稳定性。但这个过程不是短暂就能实现的, 而是需要若干年的积累。