石墨烯成新材料竞争高地 我国专利总数全球第一能否“躺赢”?-贤集网资讯

2019-08-30 14:40:43     来源:前沿材料公众号

石墨烯是一种由碳原子以sp²杂化轨道组成的六角型呈蜂巢晶格的二维纳米碳材料。石墨烯作为一种新型的二维碳纳米材料,具有超薄、超轻、超高机械强度、超强导电性等优异性能,可广泛应用于电子信息、新材料、新能源、生物医药、航空航天及环境保护等诸多领域,是推动高技术发展的重要材料之一。美国、欧洲、日本及韩国等国家纷纷从战略层面部署石墨烯的研发和应用,未来5至10年全球石墨烯市场将进入高速发展时期。据 MarketsandMarkets 发布《全球石墨烯产品、应用及区域市场:2020年趋势和展望》报告,到2020年全球石墨烯材料市场预计将达2.78亿美元,2015年至2020年复合增长率达42.8%。

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2017年,我国石墨烯市场规模约为1.27亿元人民币。目前,全国在工商、民政等部门登记注册的石墨烯单位已超过4800家。我国的石墨烯企业集聚效应明显,长三角地区是我国石墨烯发展较早也是石墨烯产业链较为完善的地区,目前拥有石墨烯相关企业600多家。2018年我国积极建设石墨烯产业基地,以产业应用为目的,促进科学研究及成果转化。2018年11月,中国科学院宁波材料技术与工程研究所石墨烯研究团队联合浙江省石墨烯制造业创新中心成功研制出能量密度高达545Wh/kg、容量达130kWh的石墨烯铝燃料电池发电系统;宁波墨西科技有限公司经过半年多的前期规划、产线设计和设备选型及安装,于2018 年建成万吨级石墨烯导电浆料生产线,可提供批量化、高性价比的电池用石墨烯复合导电浆料。

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从全球范围内来看美国、欧洲、日本及韩国等各国均将石墨烯的研发上升至战略高度,力争把握石墨烯技术革命和产业革命的机遇。全球对石墨烯的研究主要以提升制备方法和挖掘性能为主。在性能挖掘及理论升级方面,英国牛津大学Lapo Bogani团队通过稳定的自旋轴承基团功能化分子石墨烯纳米带,解决了纳米带边缘无法以原子精度制备和石墨烯端基不稳定的两大问题。在制备方法改进方面,里雅斯特大学Maria Peressi、国家研究委员会(CNR)TASC 的 CristinaAfrich 等人组成的研发团队从实验和理论上证明了在镍(Ni)上生长石墨烯的技术相关过程中单金属吸附原子所起的催化作用。


近年来,我国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,同时石墨烯产业也呈现蓬勃发展之势。研究力量主要集中在北京大学、清华大学、中国科学院、浙江大学和哈尔滨工业大学等高校、北京石墨烯研究院等新型研发机构以及部分企业。近十年,我国专利申请数量在全球申请数量中的占比快速增长,从2009年的15.6%上升至93.1%,成为了目前专利申请的主力军。各高校、研究所及企业在石墨烯领域取得一定成果。在石墨烯性能挖掘及理论升级方面,电子科技大学的姚佰承教授等人通过谐振腔集成单晶石墨烯半导体异质结,实现了光频梳的大范围可调,并展示了丰富的多孤子态输出;此外,中国科学院宁波材料技术与工程研究所、西安交通大学、南开大学及厦门大学也取得重要的研究进展。


在石墨烯制备方法改进方面,2018年和2019年,北京石墨烯研究院、北京大学、中科院微系统所、北京航空航天大学、中国科学院大连化学物理研究所、武汉大学、天津大学及厦门大学等取得进展,其中2019年4月,北京大学和北京石墨烯研究院的刘忠范院士及彭海琳教授课题组实现了超洁净石墨烯薄膜的 CVD 制备。此外,该团队还在前期实验室规模制备的基础上,制备了大尺寸的铜(111)单晶衬底和铜镍合金(111)单晶衬底,并与大型工业化 CVD 系统的制造厂家合作,设计了适合于 4英寸晶圆的石墨烯单晶批量制备高温化学气相沉积设备,可以实现最大达到6 英寸基片,最多一批次25片的石墨烯单晶晶圆的批量化制备,年产能可达到1万片。

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我国石墨烯产业只实现了初步应用,多数产品停留在样品和实验室阶段。关键核心技术还未突破。同时,市场上大多产品为穿戴式发热产品,属于低端应用,因其门槛低,造成了众多企业在此领域集中发展的现象。另外在专利方面,我国专利申请数量虽多,但质量不高,缺乏创新型发明专利。


未来,石墨烯作为国际高科技产业竞争的热点,为了增强国内石墨烯的竞争力,我国应建立完善的适合中国石墨烯产业的相关标准;推动石墨烯制备领域关键技术的研究和开发;加快石墨烯在高技术领域的布局发展,将石墨烯的研究重点和国家制造强国战略相统一。


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