石墨烯成新材料競爭高地 我國專利總數(shù)全球第一能否“躺贏”？

石墨烯是一種由碳原子以sp2雜化軌道組成的六角型呈蜂巢晶格的二維納米碳材料。石墨烯作為一種新型的二維碳納米材料，具有超薄、超輕、超高機(jī)械強(qiáng)度、超強(qiáng)導(dǎo)電性等優(yōu)異性能，可廣泛應(yīng)用于電子信息、新材料、新能源、生物醫(yī)藥、航空航天及環(huán)境保護(hù)等諸多領(lǐng)域，是推動(dòng)高技術(shù)發(fā)展的重要材料之一。美國、歐洲、日本及韓國等國家紛紛從戰(zhàn)略層面部署石墨烯的研發(fā)和應(yīng)用，未來5至10年全球石墨烯市場將進(jìn)入高速發(fā)展時(shí)期。據(jù) MarketsandMarkets 發(fā)布《全球石墨烯產(chǎn)品、應(yīng)用及區(qū)域市場：2020年趨勢和展望》報(bào)告，到2020年全球石墨烯材料市場預(yù)計(jì)將達(dá)2.78億美元，2015年至2020年復(fù)合增長率達(dá)42.8%。

2017年，我國石墨烯市場規(guī)模約為1.27億元人民幣。目前，全國在工商、民政等部門登記注冊的石墨烯單位已超過4800家。我國的石墨烯企業(yè)集聚效應(yīng)明顯，長三角地區(qū)是我國石墨烯發(fā)展較早也是石墨烯產(chǎn)業(yè)鏈較為完善的地區(qū)，目前擁有石墨烯相關(guān)企業(yè)600多家。2018年我國積極建設(shè)石墨烯產(chǎn)業(yè)基地，以產(chǎn)業(yè)應(yīng)用為目的，促進(jìn)科學(xué)研究及成果轉(zhuǎn)化。2018年11月，中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所石墨烯研究團(tuán)隊(duì)聯(lián)合浙江省石墨烯制造業(yè)創(chuàng)新中心成功研制出能量密度高達(dá)545Wh/kg、容量達(dá)130kWh的石墨烯鋁燃料電池發(fā)電系統(tǒng);寧波墨西科技有限公司經(jīng)過半年多的前期規(guī)劃、產(chǎn)線設(shè)計(jì)和設(shè)備選型及安裝，于2018 年建成萬噸級石墨烯導(dǎo)電漿料生產(chǎn)線，可提供批量化、高性價(jià)比的電池用石墨烯復(fù)合導(dǎo)電漿料。

從全球范圍內(nèi)來看美國、歐洲、日本及韓國等各國均將石墨烯的研發(fā)上升至戰(zhàn)略高度，力爭把握石墨烯技術(shù)革命和產(chǎn)業(yè)革命的機(jī)遇。全球?qū)κ┑难芯恐饕蕴嵘苽浞椒ê屯诰蛐阅転橹?。在性能挖掘及理論升級方面，英國牛津大學(xué)Lapo Bogani團(tuán)隊(duì)通過穩(wěn)定的自旋軸承基團(tuán)功能化分子石墨烯納米帶，解決了納米帶邊緣無法以原子精度制備和石墨烯端基不穩(wěn)定的兩大問題。在制備方法改進(jìn)方面，里雅斯特大學(xué)Maria Peressi、國家研究委員會(CNR)TASC 的 CristinaAfrich 等人組成的研發(fā)團(tuán)隊(duì)從實(shí)驗(yàn)和理論上證明了在鎳(Ni)上生長石墨烯的技術(shù)相關(guān)過程中單金屬吸附原子所起的催化作用。

近年來，我國在石墨烯領(lǐng)域開展了大量研究，躋身世界石墨烯研究領(lǐng)域第一梯隊(duì)，申請專利總數(shù)世界第一，在石墨烯制備、物性與應(yīng)用基礎(chǔ)探索方面獲得了一批具有國際影響力的創(chuàng)新研究成果，同時(shí)石墨烯產(chǎn)業(yè)也呈現(xiàn)蓬勃發(fā)展之勢。研究力量主要集中在北京大學(xué)、清華大學(xué)、中國科學(xué)院、浙江大學(xué)和哈爾濱工業(yè)大學(xué)等高校、北京石墨烯研究院等新型研發(fā)機(jī)構(gòu)以及部分企業(yè)。近十年，我國專利申請數(shù)量在全球申請數(shù)量中的占比快速增長，從2009年的15.6%上升至93.1%，成為了目前專利申請的主力軍。各高校、研究所及企業(yè)在石墨烯領(lǐng)域取得一定成果。在石墨烯性能挖掘及理論升級方面，電子科技大學(xué)的姚佰承教授等人通過諧振腔集成單晶石墨烯半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)，實(shí)現(xiàn)了光頻梳的大范圍可調(diào)，并展示了豐富的多孤子態(tài)輸出;此外，中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所、西安交通大學(xué)、南開大學(xué)及廈門大學(xué)也取得重要的研究進(jìn)展。在石墨烯制備方法改進(jìn)方面，2018年和2019年，北京石墨烯研究院、北京大學(xué)、中科院微系統(tǒng)所、北京航空航天大學(xué)、中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所、武漢大學(xué)、天津大學(xué)及廈門大學(xué)等取得進(jìn)展，其中2019年4月，北京大學(xué)和北京石墨烯研究院的劉忠范院士及彭海琳教授課題組實(shí)現(xiàn)了超潔凈石墨烯薄膜的 CVD 制備。此外，該團(tuán)隊(duì)還在前期實(shí)驗(yàn)室規(guī)模制備的基礎(chǔ)上，制備了大尺寸的銅(111)單晶襯底和銅鎳合金(111)單晶襯底，并與大型工業(yè)化 CVD 系統(tǒng)的制造廠家合作，設(shè)計(jì)了適合于 4英寸晶圓的石墨烯單晶批量制備高溫化學(xué)氣相沉積設(shè)備，可以實(shí)現(xiàn)最大達(dá)到6 英寸基片，最多一批次25片的石墨烯單晶晶圓的批量化制備，年產(chǎn)能可達(dá)到1萬片。

我國石墨烯產(chǎn)業(yè)只實(shí)現(xiàn)了初步應(yīng)用，多數(shù)產(chǎn)品停留在樣品和實(shí)驗(yàn)室階段。關(guān)鍵核心技術(shù)還未突破。同時(shí)，市場上大多產(chǎn)品為穿戴式發(fā)熱產(chǎn)品，屬于低端應(yīng)用，因其門檻低，造成了眾多企業(yè)在此領(lǐng)域集中發(fā)展的現(xiàn)象。另外在專利方面，我國專利申請數(shù)量雖多，但質(zhì)量不高，缺乏創(chuàng)新型發(fā)明專利。

未來，石墨烯作為國際高科技產(chǎn)業(yè)競爭的熱點(diǎn)，為了增強(qiáng)國內(nèi)石墨烯的競爭力，我國應(yīng)建立完善的適合中國石墨烯產(chǎn)業(yè)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn);推動(dòng)石墨烯制備領(lǐng)域關(guān)鍵技術(shù)的研究和開發(fā);加快石墨烯在高技術(shù)領(lǐng)域的布局發(fā)展，將石墨烯的研究重點(diǎn)和國家制造強(qiáng)國戰(zhàn)略相統(tǒng)一。