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石墨烯:如何实现科研与商用并驾齐驱?

发表于:2018-01-10 责任编辑:小豆豆
作为目前已知的世界上最薄、最坚硬、导电性最好的材料,石墨烯自问世以来就受到业界的广泛关注。由于具有优异的力学、热学和电学性能,其被认为有望在半导体、光伏、锂电池、超级电容器、电子显示器件等领域带来革命性变化。
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    2004年石墨烯的成功分离,激发了全球范围内石墨烯研发的热潮,我国相关专利申请更是快速增长。近年来,中韩美等国角逐石墨烯前沿应用领域,我国相关专利申请量已领跑全球,但专利质量仍待提升,海外专利布局仍较薄弱,产业化难题也亟待破解。对此,专家表示,我国需要整合科研机构和企业的力量,在制备方法和工艺上寻求突破,完善专利布局,打造从原料、制备、产品开发到下游应用的石墨烯全产业链,才能推动石墨烯更快地走向产业化。


    专利申请领跑全球


    石墨烯是一种由碳原子组成的平面薄膜,是只有一个碳原子厚度的二维材料。其拥有高度的柔性、透光性、超强导电性,是非常有潜力的应用材料,目前,世界各国都在积极投身于石墨烯技术的研发和产业化进程。中国科学院文献情报中心和美国化学文摘社近日发布的《石墨烯研发态势监测分析报告》显示,截止到2016年4月5日,全球共有石墨烯相关论文7.8756万篇,相关专利申请2.3057万件。


    “2010年以后,石墨烯研发进入快速发展的活跃期,全球50%以上的石墨烯研究论文和专利申请主要集中在2014年至2016年。” 中国科学院文献情报中心副主任刘细文介绍,从地域分布看,全球该领域专利申请量排名前五位的国家为中国、韩国、美国、日本和德国,这五国的专利申请总量占全球该领域专利申请量的90%以上。


    不过,在这五国中,美国和日本自上世纪90年代就开始提交石墨烯专利申请,明显早于中国和韩国。中国自2007年进入石墨烯领域后,相关专利申请急剧增多,2010年后更是爆发式增长,该领域专利申请占全球该领域专利申请总量的59.06%,美国和韩国的这一占比则分别为11.17%和15.43%。


    “目前,尽管我国石墨烯专利申请量已领跑全球,但海外专利布局较弱。”刘细文介绍,石墨烯专利申请主要流向美国和中国,中国在韩、日、美、德仅有2.3%的石墨烯专利申请,而韩、美、日、德在其他四个主要专利申请来源国分别有27.8%、24.8%、32.3%和45.3%的石墨烯专利申请。


    另外,我国石墨烯专利申请主要由科研院所主导,韩国和美国则主要由企业主导。2007年至2015年,中国科学院以1299件石墨烯专利申请位列全球首位;韩国石墨烯专利申请最多的是三星电子有限公司,为515件;IBM以186件石墨烯专利申请位列美国第一。


    产业应用仍待加强


    经过十多年的快速发展,目前,中美韩日等主要石墨烯技术原创国已积聚了大量的专利储备,逐渐形成了技术优势和相对稳定的竞争格局,但是,技术研发火热的背后,石墨烯仍然面临产业化缓慢的难题。


    “对于公众来说,体现石墨烯价值最直观的是终端产品,但是,从石墨烯原材料到石墨烯终端产品,还有很长的路要走。”国家纳米科学中心研究员智林杰告诉本报记者,石墨烯能否实现产业化主要与四方面因素相关:一是成本控制,二是质量控制,三是知识产权,四是终端产品。这些问题不一一解决,石墨烯的大规模产业化就难以实现。


    记者在采访中了解到,目前,石墨烯的一个重要产业路线是从石墨到石墨烯再到终端产品,这中间会涉及许多方面的技术,包括石墨原材料的开采、纯化、深加工等,而我国这些方面的技术都还比较薄弱。比如,我国石墨储量和石墨开采量均是世界第一,但是我国采浮选技术落后,污染重、能耗高,几乎没有高质量的深加工能力,加工出的石墨原材料杂质多,纯度不够。由于生产包括高质量的石墨烯在内的许多石墨烯深加工产品对原材料要求很高,我国很多机构不得不把石墨粗粉运到国外进行提炼、纯化,然后再运回国使用,导致严重的资源浪费和经济损失。不仅如此,石墨烯材料的基础研究也还有待加强和深入,其性能优化和规模化生产的很多技术和方法,也需寻求突破。


    “除了技术、成本等因素,知识产权问题也还需要引起关注。我国石墨烯专利申请数量不少,但主要布局在国内,国外专利申请很少,这说明我国石墨烯相关技术的国际影响力还不够。未来石墨烯竞争将是全球化竞争,海外专利布局不足会对产业发展带来很大影响。”智林杰表示。


    多点突破促进发展


    由于具有广阔的前景,目前,世界各国都在加紧布局石墨烯产业。我国不仅在国家层面部署了石墨烯研发计划和研发项目,许多地方政府还筹划建立了石墨烯产业园、石墨烯产业技术研究院等。根据《〈中国制造2025〉重点领域技术路线图》的规划,我国石墨烯发展的总体目标是,2020年形成百亿元产业规模,2025年整体产业规模突破千亿元。


    记者在采访中了解到,近年来,石墨烯材料的产业化应用不断深化和拓展,从材料性能、电子学性能不断向电池、电容器、半导体、传感器器件等应用方向延伸。在能源利用领域,石墨烯在二次电池、超级电容器等方面,部分含有石墨烯的产品已处于试用阶段。


    然而,石墨烯在能源、生物学、电子学等诸多领域的广泛应用,对石墨烯的低成本绿色制备、高质量精细结构调控以及多级次多功能组装与集成,提出了越来越高的要求。“我国石墨烯技术研发力量主要集中在科研机构,未来,还需要整合研究机构和企业的力量,各自发挥优势,合作攻关技术难点,并推动产业化,以实现科研与商用的并驾齐驱。”刘细文表示。


    在刘细文看来,要加快石墨烯的应用和产业化进程,还需加大研发力度,突破一些技术难点。“主要是在制备方法和工艺上进行新的突破,未来制备工艺将呈现出多元化发展趋势,对制备方法和技术进行研发、改进和优化将成为研发热点。另外,基于石墨烯结构各向异性、性能各向异性的研发也将是重点研究方向。”刘细文表示。


    在加快研发的同时,提升专利质量、加强海外专利布局也是关键。“目前,我国高质量低成本的石墨烯绿色制备技术仍处于研发阶段,与原材料相关的基础专利和核心专利比较缺乏,而这些专利正是属于石墨烯产业链上游的技术。谁拥有这些专利,谁将拥有更多话语权。只有攻破核心技术,降低生产成本,打造从原料、制备、产品开发到下游应用的石墨烯全产业链,才可能推动石墨烯更快地走向产业化。”智林杰表示。


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    石墨烯本来就存在于自然界,只是难以剥离出单层结构。石墨烯一层层叠起来就是石墨,厚1毫米的石墨大约包含300万层石墨烯。铅笔在纸上轻轻划过,留下的痕迹就可能是好多层石墨烯。2004年,英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·盖姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫,用微机械剥离法成功从石墨中分离出石墨烯,因此两人共同获得2010年诺贝尔物理学奖。


    作为一种新型纳米材料,石墨烯在很多领域都有着广泛应用。新能源电池是石墨烯最早商用的一大重要领域。目前,美国麻省理工学院已成功研制出表面附有石墨烯纳米涂层的柔性光伏电池板,可极大降低制造透明可变形太阳能电池的成本,这种电池有可能在夜视镜、相机等小型数码设备中应用。另外,石墨烯超级电池的成功研发,也解决了新能源汽车电池的容量不足以及充电时间长的问题。


    柔性显示屏未来市场广阔,作为基础材料的石墨烯前景也被看好。韩国研究人员已制造出了有多层石墨烯和玻璃纤维聚酯片基底组成的柔性透明显示屏。韩国三星公司和成均馆大学的研究人员制造出了一块电视机大小的纯石墨烯,他们用该石墨烯块制造出了一块柔性触摸屏。从理论上来讲,未来,人们可以轻松卷起拥有柔性显示屏的智能手机。


    此外,石墨烯在航空航天、感光元件、复合材料等领域也可以发挥重要作用。正是因此,石墨烯被称为“黑金”,是“新材料之王”,科学家甚至预言,石墨烯将“彻底改变21世纪”。


文章来源于:中国知识产权资讯网

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