新材料之王石墨烯的发展为高科技产业带来哪些启示？

　　编者按
　　刘忠范，北京石墨烯研究院院长，北京大学博雅讲学教授，中国科学院院士，发展中国家科学院院士，首批教育部长江学者奖励计划特聘教授，首批国家杰出青年科学基金获得者，长期从事石墨烯的研究及产业化落地工作。本文根据2021中关村论坛全球科技创新高端智库论坛演讲实录整理而成，在文中，刘忠范院士分享了其从石墨烯研究到产业化过程中的心得体会。
　　我是做石墨烯研究的。早年主要从事石墨烯新材料的基础研究，后来开始关注实用技术研发，现在更进一步关注如何实现产业化落地。十几年来，我以石墨烯材料为抓手，做了很多基础研究、技术研发和产业化工作。希望跟大家分享一下我对高科技产业发展的体会和认识。
　　石墨烯：潜力巨大的＂新材料之王＂
　　石墨烯是一种新材料，号称＂新材料之王＂。它是最薄的材料，只有一个原子层那么厚；也是强度最大的材料，理论上比钢强百倍；还是导电性、导热性最好的材料。石墨烯是纯碳材料，100%由碳原子构成。所以跟现在特别时髦的＂低碳＂概念不同，它是＂高碳＂材料。当然，相信这种＂高碳＂石墨烯材料能够为＂低碳经济＂做贡献。
　　石墨矿属于天然的石墨。石墨是一种层状材料，层与层之间的结合力很弱，用胶带轻轻一撕就可以撕下来很多层。如果你有足够的耐心反复对折撕，最后可以撕出一个原子层厚度的石墨片，这就是石墨烯。早期的石墨烯实验研究就是用这种笨办法撕出来的，所以大家常常开玩笑地讲，石墨烯这个诺贝尔奖是透明胶带撕出来的。
　　安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫是石墨烯研究的先驱，他们非常有耐心，真的是用普通胶带一层一层地撕出来了石墨烯，并且首次测量了这种单层石墨片的性质，论文发表在2004年10月22日的《科学》期刊上。
　　这应该是石墨烯领域的第一篇热点文章，6年后两位先驱斩获诺贝尔物理学奖。 这里我要强调的是，从零到一的原创性基础研究突破常常是＂无心栽柳＂的结果，源于科学家们强烈的好奇心和求知欲，很难进行规划和重点攻关。基础研究不是简单地规划和用钱砸出来的。没钱不行，光有钱也不行，基础研究有其自己的规律。
　　石墨烯作为一种神奇的新材料，拥有极为广阔的应用前景。可以想象的应用场景很多，尽管大部分尚处于研发阶段，比如电子信息、能源、功能材料、生物医药、节能环保、航空航天以及国防军工领域等。举几个大家在广告中常常看到的例子。第一个是石墨烯电池 ，严格意义上讲，应叫作石墨烯改性锂离子电池。原理上讲，石墨烯用作锂离子电池正极材料的导电添加剂，比当前主流炭黑导电剂拥有更大的优势。锂离子电池正极材料导电性差，需添加大量的非活性、轻组分导电剂，导致能量密度降低。
　　高性能石墨烯导电添加剂可显著降低用量，从而提升能量密度并实现快速充电。石墨烯的高导热性也有助于快速充放电时的散热，提高电池的安全性和稳定性。需要指出的是，单节电池的快充和整车快充不可同日而语，更须考虑充电枪和充电桩的功率限制。因此，部分商家所谓的＂充电八分钟，能跑一千公里＂的说法仅仅是营销噱头。
　　石墨烯涂料是人们关注最多的另一个话题。 超薄石墨烯微片比传统玻璃鳞片（3—5微米厚）提供更好的物理屏蔽，延缓腐蚀介质的渗透。研究表明，绝缘性的氧化石墨烯或石墨烯衍生物添加量达到0.5%左右，氯离子的渗透即可降低一半，效果显著。在含有金属锌的重防腐涂料中加入0.3%左右的粉体石墨烯，锌的利用效率会更高，从而显著降低锌粉用量，降低成本。需要指出的是，比金属更稳定的高导电性石墨烯会加剧金属的电化学腐蚀，而石墨烯提供的物理屏蔽效应仅能满足短期防腐需求。因此，不能过度夸大石墨烯涂料的神奇效应 。统计资料显示，2017年全球防腐涂料市场规模约250亿美元，其中石墨烯涂料市场规模约8亿美元。目前中国从事石墨烯涂料业务的企业约700家，主要分布在江苏省和广东省。
　　石墨烯在热管理和大健康领域承载着人们巨大的期望，也是目前最活跃的应用市场。 石墨烯是理想的远红外辐射材料，也是导电性和导热性最好的材料。从发射频谱上看，石墨烯远红外线频谱与人体发射的远红外线频谱高度重叠，这也是所谓石墨烯发射＂生命光波＂的由来。利用石墨烯材料制造的电热转换设备，具有电热响应快、驱动电压低、发射率高以及电热转换效率高等优点。国内市场推出很多此类石墨烯电热产品，电暖画、电热服装、电热毯、加热眼罩、红外理疗房、地暖墙暖、护颈护腰等，都是这方面的例子。
　　回顾一下石墨烯的发展历史。从2004年年末至今，石墨烯已经走过了将近17年的历史。其中有几个非常重要的事件和时间节点。
　　2010年10月5日
　　石墨烯研究的两位先驱获得诺贝尔物理学奖，进一步推高了石墨烯的热度。
　　2013年
　　欧盟启动为期十年的＂石墨烯旗舰计划＂，每年投资1亿欧元，推动石墨烯材料走出实验室，打造新兴石墨烯产业。
　　2014年
　　国家发展和改革委员会、工业和信息化部等部门发布《关键材料更新换代实施方案》，石墨烯位列其中。同年，首家以石墨烯为主营业务的公司＂第六元素＂登陆新三板。
　　2015年3月
　　两位诺贝尔奖得主的东家英国曼彻斯特大学成立国家石墨烯研究院（NGI），同年10月23日习近平主席参访NGI，继而引发了国内延续至今的＂石墨烯热＂。
　　2018年10月25日
　　北京市成立北京石墨烯研究院（BGI），全力推进北京的石墨烯新材料研发工作，我担任首任院长。同年，华为发布采用石墨烯散热技术的Mate20X手机。
　　2018年12月10日
　　英国曼彻斯特大学成立＂石墨烯工程创新中心＂（NEIC），致力于基础研究和工程化齐头并进，抢占石墨烯新材料产业的先机。
　　截至2020年年底，国内号称从事石墨烯业务的企业超过2万家。这个数字可以说是全世界最庞大的，估计比其他国家的总和还要多。据不完全统计，目前中国拥有石墨烯产业园30个、石墨烯研究院54家、石墨烯产业创新中心8个。全国20多个省份的＂十三五＂规划中，都有石墨烯板块的产业布局，并出台了一系列支持政策。2016年，北京市启动石墨烯科技专项，致力于把研发资源优势转化为石墨烯产业发展优势。
　　许多上市公司密切关注石墨烯产业发展，据不完全统计，目前有60多家上市公司涉及石墨烯业务 ，涵盖了石墨烯产业链条的各个环节，其中以新能源相关企业居多。在基础研究方面，2011年开始，我国学者发表的石墨烯相关学术论文就已领跑全球，占比达到34%。在石墨烯相关专利申请方面，中国更是遥遥领先，全球占比达到68%。可以肯定的是，从统计数字上看，中国的石墨烯行业是居国际领先地位的。
　　石墨烯产业：制备决定未来
　　那么，石墨烯产业究竟处于什么发展阶段呢？ 我们用高德纳技术成熟度曲线来对标一下石墨烯材料。与其他新材料和新技术一样，石墨烯材料从实验室走向产业化也需要经历五个阶段：技术萌芽期、期望顶峰期、泡沫谷底期、爬坡期、稳定应用期。对石墨烯来说，2004年年底算是技术萌芽期，随后迅速得到人们的广泛关注，期望值越来越高，几乎成了无所不能的超级材料。2015年、2016年左右是炒作的高峰期，那时候石墨烯仿佛无所不能。但是现在大家渐趋冷静，过了炒作高峰。实际上，实验室里的材料和技术绝大部分很难走到最后，大部分中途夭折。政府决策部门，要有耐心，对新材料产业尤其要有耐心。对于石墨烯新材料来说，毕竟才17年的历史，未来的路还很长。
　　我一直强调，对于石墨烯产业来说，制备决定未来。材料是产业的基石，如果没有规模化制备技术的突破，就不可能有石墨烯产业。同样，如果没有扎实的制备科学基础研究，就会失去核心竞争力，所以也不能着急。还需要强调的是，缺乏针对性的基础研究也很难带来制备上的真正突破。如果我只是在北京大学实验室里带领学生做基础研究，尽管可以发一大堆论文，申请无数的专利，但是很难对石墨烯材料的产业化落地有帮助，这是我现在的切身体会。 尤其需要指出的是，石墨烯材料的质量提升是一个循序渐进的过程，需要不懈的努力和耐心。石墨烯材料的产业化不可能一蹴而就，尽管并非把材料做到尽善尽美才能形成产业，这是一个发展过程，没有例外。
　　我经常开玩笑地把石墨烯分成两大类：男石墨烯和女石墨烯。男石墨烯对应于石墨烯粉体材料，属于傻大黑粗型的材料；女石墨烯对应于石墨烯薄膜材料，属于白富美和高大上型的材料。两种石墨烯材料的制备方法不同，用途也完全不同，不可同日而语。
　　现在离产业化比较近的、国内研究比较多的是粉体石墨烯材料。粉体石墨烯材料的制备现状是什么样呢？2018年，新加坡国立大学的研究人员发表了一篇文章，认真检测了来自全球60家企业的粉体样品，发现大部分材料的石墨烯含量低于10%，也就是其中有90%不是石墨烯。而且，作为纯碳材料的石墨烯，碳含量竟然不足60%。可以想象，这样的材料怎么可能肩负起石墨烯产业的未来？我们必须在材料上狠下功夫。还是那句话，制备决定未来。
　　高温炉子里烧制出来的薄膜材料也是一样。2018年，我们写了一篇60多页的综述文章，总结了团队十年来的石墨烯薄膜生长工作。实际上，对于石墨烯薄膜而言，理想和现实之间存在巨大的鸿沟。理想的石墨烯薄膜是完美的二维单晶材料，而现实的石墨烯薄膜是由单晶碎片堆积起来的富含缺陷的多晶薄膜，就像一件缝补起来的破衣服。道理上也不难理解，石墨烯薄膜的高温生长过程非常复杂，涉及诸多基元反应步骤。真正完美的石墨烯生长，必须设计和控制好每一步，现实中是很难做到的。其实做大不难，提高产量并不难，但是做好很难，这就是现状。
　　致力打造一个千亿级石墨烯产业帝国
　　我的团队可谓是＂十年磨一剑＂。我们从2008年开始进入石墨烯领域，至今已经13年了。早年我本人研究的是石墨烯的姊妹篇——碳纳米管，二者的制备方法、性能检测方法非常类似，基础是相通的。这样算起来，我已经从事20多年的石墨烯相关研究了。进入石墨烯领域之初，主要关注基础研究，用化学气相沉积方法生长石墨烯薄膜，研究其好玩的性质，探索其可能的应用。后来下决心做点真正有用的东西，发展石墨烯薄膜材料的规模化制备技术，这是石墨烯产业的基石。从实验室样品到规模化产品，是一个重要的跨越，成立了北京石墨烯研究院。有了更大的平台和更大的舞台，可以做实验室所不能做的事情。
　　北京石墨烯研究院（BGI）是由北京市政府和社会资本共同出资、北京大学牵头建设的新型研发机构，2018年10月25日正式揭牌。研究院落地中关村北区翠湖科技园，一期研发大楼2万平方米，注册资本3.226亿元，十年规划总投资20亿元，现在人员规模已经达到240人。研究院的定位是石墨烯产业核心技术策源地、高端石墨烯材料生产和装备研发基地、面向全球企业的＂研发代工＂平台、高科技人才汇聚地和创新创业基地，以及政产学研协同创新机制探索基地和新型研发机构示范区。研究院重点关注三大业务板块：石墨烯材料规模化制备技术和装备研发，面向未来石墨烯产业的核心技术研发，以及面向当前市场的企业研发代工。
　　过去三年来，我们已经实现了不少规模化和产业化的明星产品。比如，第一个是领跑世界的A3尺寸石墨烯薄膜 ，年产1万平方米。每张A3尺寸的石墨烯薄膜售价2万元，还很贵。第二个是单晶石墨烯晶圆 ，4英寸晶圆年产10000片，6英寸晶圆年产12000片，每片售价3000美元以上。第三个是超洁净石墨烯薄膜 ，目前只有我们能够生产这种最高质量的石墨烯薄膜。石墨烯在高温炉子里＂长＂出来的时候非常脏，我们率先实现了超洁净生长。这种超洁净石墨烯的性能接近理论极限，代表着石墨烯薄膜制备的最高水平。第四个是超级石墨烯玻璃 ，我们自己发明的技术，年产5000平方米。我要强调的是，这些石墨烯材料的生产装备都是我们自己研制的，BGI拥有自己的石墨烯装备研发中心，已经研制出一系列新型石墨烯生长装备。
　　北京石墨烯研究院的优势在于，我们拥有三大协同创新团队：基础研究团队依托北京大学高水平的研究生和博士后队伍，还有专业的工艺研发团队和装备制造团队。三个团队协同作战，缺一不可，快速推进着石墨烯材料的规模化生产工作。显而易见，单纯在北京大学做基础研究，没有后两个团队很难实现规模化生产；而只有后两个团队，没有强大的基础研究支撑，也很难有竞争力。对于石墨烯新材料来说，规模化是一个重大的跨越，也是推进材料产业化的关键。
　　现实情况是，大部分的人都是在实验室里做研究，做出来的是石墨烯样品，谈不上是石墨烯材料。做材料规模化制备的团队很少，相比做样品来说难得多。我的实践体会是，在石墨烯材料研发方面，基础决定实力，工艺决定质量，装备决定胜负。 基础研究至关重要，没有扎实的基础研究做支撑，就没有实力和竞争力。2021年9月，国家自然科学基金＂石墨烯制备科学＂基础科学中心正式获批成立，依托北京大学和北京石墨烯研究院。这是石墨烯领域的第一家基础科学中心，是对我们过去十几年来工作的认可，也是我们继续前行的信心和基础。只停留在基础研究阶段，没有规模化制备工艺的研发，就不可能生产出高质量的石墨烯材料。与此同时，自己做装备非常重要，装备是工艺的＂固化＂，先进的制备工艺需要新的装备来实现。当然，自行研发装备也是保护自主知识产权的重要举措。
　　实现从研究思维到工程和产业思维的跨越
　　我的另一个体会是，从基础研究走向产业化时，必须转变思维方式，实现从研究思维到工程思维和产业思维的跨越。 这一点极为重要。研究思维是好奇心驱动，是发散性的思维方式。新奇特很重要，创新性来源于此，这是科学家的思维模式；工程思维是聚焦一个特定的东西，造出一个具体的东西来，比如一座桥梁，不能满足于搞花样，这是工程师的思维方式；产业思维是必须考虑市场因素，考虑成本、价格和可竞争性。实际上，并非最好的技术和最好的材料才能进入市场、占领市场。对于石墨烯新材料来说，光有研究思维肯定不行，要有工程思维，还要有产业思维，三者有效结合才能真正推动产业发展。 我认为，产学研协同创新的关键是让科学家、工程师和企业家有一个公共平台、共同的抓手和利益共享机制，三者缺一不可。
　　现在大家经常讲的科技与经济＂两张皮＂的问题，实际上就是产学研协同创新机制还没有理顺，还有很大的提升空间。目前存在两种截然不同的产学研协同创新模式：一个是单一主体内的协同创新模式；另一个是多个主体之间的协同创新模式。 像华为这样的大型高科技企业就是典型的单一主体协同创新模式，他们自己拥有科学家团队、工程师团队以及市场运作团队，在一个统一的目标和利益链上协同创新。而多主体的协同创新模式涉及大学、科研院所、新型研发机构或创新中心以及企业等独立实体，希望在共同的目标牵引下，步调一致地协同创新。
　　两种模式哪一种更高效其实一目了然，前者就像一台高速运转的机器，而后者则像多台同步运转的机器群，难度完全不同。在当前情况下，我们更多地重视多主体的协同创新模式，让一大堆机器顺畅地协同运转，选择的是一条难度极大的路径，值得深思。我认为，应该更多地推进单一主体的协同创新模式，让千千万万个具有内部协同创新能力的企业成长起来，这才是解决产学研协同创新难题的根本之道。
　　大家的共识是，工程化研发是基础研究成果走向产业落地的必经之路，也是当前我国产学研协同创新链条的薄弱环节，而企业才是一切基础研究和技术研发成果转化落地的关键所在。没有企业机制，没有企业家的担当，＂卡脖子＂技术永远解决不了。我们要像尊重和重视科学家那样对待企业家，中国的高科技产业才能更好地发展。
　　发展石墨烯产业绝非一朝一夕的事情，需要国家意志和市场意志的有机结合，需要长期不懈的努力和不屈不挠的坚持，可持续发展能力是走向未来的关键所在。
　　来源：科技创新、龙江石墨等
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