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石墨烯研发仍居战略高位,中、英、美、德…欧盟研发现状总览

进入21世纪以来,纳米金刚石、富勒烯、纳米碳管和石墨烯等新型纳米碳材料的迅速发展引起了全世界的广泛关注。当碳材料的尺度缩小到纳米范围时,其部分物理、化学性质将发生显著变化,并呈现出由高比表面积或量子效应引起的一系列独特性能。新型纳米碳材料具有稳定性好、强度高、比表面积高和来源丰富等特点,是最具发展潜力的前沿材料,也是主导未来高科技竞争的战略材料。

尽管纳米金刚石和富勒烯发现较早,但受制于量产技术和应用领域开发限制,目前仍处于实验室阶段。当前,石墨烯和碳纳米管是引发各国政府、学术、产业各界全面关注的重点新型纳米碳材料,具有一定规模的产业基础。

石墨烯

石墨烯不仅是世界上已知的最强、最坚硬、最薄的材料,同时也是已知材料中电阻率最小、导热系数最高的物质。

石墨烯研发仍居战略高位,中、英、美、德...欧盟研发现状总览

石墨烯材料根据其形态与应用可以分为微片(粉体)和薄膜两类。石墨烯微片的制备方法包括氧化还原法、插层剥离法、液相剥离法、机械剥离法等;石墨烯薄膜的制备方法包括化学气相沉积法以及外延生长法等。其中,利用插层剥离法或氧化还原法制备石墨烯微片的技术已实现产业化,而以化学气相沉积法及卷对卷工艺生长和转移大面积石墨烯薄膜的技术也已取得重大突破。

石墨烯材料在应用层面上的发展将会经历以下初级、中级、高级三个阶段。初级应用阶段:受制于成本因素,短时间内很难实现大规模的石墨烯单独应用,石墨烯主要用于提高其他材料的性能,有望在锂离子电池、导热材料、导电油墨、防腐涂料等领域发挥重要作用;中级应用阶段:随着高质量石墨烯量产技术逐渐成熟,石墨烯应用有望通过支持各类新型器件,在柔性显示、太阳能电池、超级电容器、膜材料、传感器、晶体管以及假体植入物等方面找到新的出路;高级应用阶段:一旦石墨烯量产化成熟,晶圆级石墨烯单晶取得突破之后,将通过系统集成,不断挑战技术突破,在技术门槛更高的未来生物医疗、高频器件以及高强度多功能复合材料等领域,有望发挥颠覆传统产业的潜力。

全球研发现状

2004年,英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·海姆(Andre Geim)和康斯坦丁·诺沃肖洛夫(Kostya Novoselov)第一次成功地从石墨中分离出了sp²杂化的石墨烯,自此石墨烯的研究掀起了热潮。特别是近年来,英、美、德、日、韩各国以及欧盟均将石墨烯的研发上升至战略高度,各学术界和产业界纷纷发力与国家高层布局遥相呼应,正在形成技术研发和产业投资的高潮,力争把握石墨烯技术革命和产业革命的机遇。

作为石墨烯的诞生国,2011年起英国政府将石墨烯定为重点发展的新兴技术,投入巨额资金,重点研究领域涉及电子信息、传感器、复合材料、储能材料以及结构材料。英国石墨烯研究基础雄厚,学术方面以曼彻斯特大学和剑桥大学为主,科研机构由英国国家石墨烯研究中心(NGI)牵头,还将于2018年建成第二个石墨烯技术创新中心——英国石墨烯工程创新中心(GEIC)。产业层面,除英国本土企业外,英国国家石墨烯研究中心还与全球约50家企业建立了合作关系,旨在将石墨烯的基础研究推向产业化。

近年来,德国政府携手欧盟通过政策鼓励、资金支持充分调动国内科研机构、企业和高校的积极性,全面参与石墨烯研发项目,形成了政产学研一体的石墨烯研发网络,在石墨烯应用于光子和光电器件领域具有较强优势。此外,德国爱思强(AIXTRON)公司研发出的金属有机化学气相沉积设备标志着大规模石墨烯制备技术取得突破性进展。

2013年,欧盟启动石墨烯旗舰计划(Graphene Flagship),总投资高达10亿欧元,并在一年后发布了石墨烯科技路线图。运行至今,石墨烯旗舰计划带领英、德、法、意大利、荷兰、丹麦等欧洲国家,携手推进石墨烯的研发和产业化进程,并积极促进了与全球其他地区的合作交流。

美国政府在布局石墨烯的研发应用时针对性极强。国防部开展了多项石墨烯研究项目,重点是将其应用于最具颠覆传统产业潜力的更轻、更小、更快、更高频的电子器件领域,以及提高军事能力的复合材料和传感器领域,以期占据军事前沿技术的制高点。各高校和科研院所近年来积极投身石墨烯材料制备和应用领域的广泛研究。产业层面上美国呈现多元化布局,既包括IBM、英特尔(Intel)、波音(Boeing)等行业巨头,也包括一批中小型石墨烯新兴企业。

韩国石墨烯制备技术和器件研究发展迅猛,政府提供了数亿美元的资金支持相关研究,主要研究机构包括部分高校以及三星电子和LG公司,在薄膜制备、光电器件、晶体管以及OLED等方面已拥有丰富的应用研究成果,并积极与英国及欧洲石墨烯旗舰计划开展合作。

日本政府近年来大力支持包括石墨烯在内的纳米碳材料相关研究,经产省投资120亿日元鼓励研发。在政府的支持下,日本在石墨烯量产技术、储能应用等方面取得一定成果,试图利用石墨烯的优异性能巩固其在电池领域的传统优势。

我国近年在石墨烯领域开展了大量研究,跻身世界石墨烯研究领域第一梯队,申请专利总数世界第一,在石墨烯制备、物性与应用基础探索方面获得了一批具有国际影响力的创新研究成果。科研力量主要集中在清华大学、浙江大学和哈尔滨工业大学等高校,中国科学院等科研机构以及部分企业。近年来,我国石墨烯产业也呈现蓬勃发展之势,但产品质量参差不齐,产业发展虚火旺盛。我国政府对石墨烯研究及其产业发展也给予了大力支持。《新材料产业“十二五”发展规划》中将石墨烯作为重点发展的前沿新材料。《“十三五”国家科技创新规划》中明确将石墨烯列为重点发展的先进功能材料与颠覆性技术。《中国制造2025》也明确要求做好石墨烯等战略前沿材料的提前布局和研制,并编制了石墨烯产业技术路线图。整体而言,我国在石墨烯研究领缺乏原始创新和系统创新,缺乏真正杀手锏级别的石墨烯应用技术;成果转化率较低,产业化技术水平亟需提高,产业发展质量有待加强。

未来发展趋势

未来,石墨烯作为国际高科技产业竞争的热点,其发展将主要从制备技术和产业化应用层面进行全面提升。制备技术上将进一步发展高质量石墨烯粉体和石墨烯薄膜的可控、绿色、低成本和大规模工业化制备技术;产业化应用上将探索广泛应用领域的发展潜力,努力发展石墨烯“杀手锏”和高性价比应用。此外,国际上石墨烯标准化推进工作也在稳步进行中。

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