产业商业化路漫漫

     “现在国内的石墨烯应用，真正做石墨烯的企业其实没有几家，很多都是原来做石墨等碳材料的企业，甚至完全不相关的企业打着石墨烯的旗号，或者炒作股票，或者争取国家基金，真正做石墨烯并且真正能赚钱的企业几乎没有。”清华大学材料学院微纳力学中心教授朱宏伟说。

 

      而在刘冠伟看来，不仅是国内的很多石墨烯是骗局，国外项目炒作的也不少。在他那那篇质疑石墨烯电池的文章中，刘冠伟就表示“有石墨烯电池的西班牙Graphenano公司”无论是宣称合作的三家德国汽车企业，还是在专利局网站，都找不到任何有效信息。

 

     那么，被寄予厚望的“新材料万能之王”，为何处于如此尴尬的争议境地？

 

     根据记者了解，原因有三方面：一方面，无论国内还是国外，在技术上都没有找到获得大面积单晶石墨烯的工业合成法，另一方面，在市场上石墨烯下游产业链尚未形成，对石墨烯需求最大的也仅仅是各大科研院所和实验室，并没有大量石墨烯投入产业化运营。

 

  早在2010年，韩国成均馆大学和三星公司的研究人员，就制造出由多层石墨烯和聚酯片基底组成的透明可弯曲显示屏。当时，论文通讯作者、成均馆大学教授洪秉熙就提出，他们的方法可用于制造基于石墨烯的太阳能电池、触摸传感器和平板显示器。但他当时也承认，大规模制造和商业化还为时尚早——5年过去，洪秉熙的方法在韩国都还是停留在三星和成均馆大学的实验室。

 

   最后一方面，是石墨烯制备成本问题。由于无法量产，石墨烯制备成本也一直居高不下，成本昂贵也阻碍了下游市场的产业化步伐。此前石墨烯价格高达5000元/克，比黄金还贵10几倍。“那瓶貌不惊人的东西比黄金还贵，几克石墨烯粉末就价值几十万元人民币，我们坐飞机的时候都是分开几个人进行运送，怕被安检没收。”一名做石墨烯研究的创业公司曾经如此形容。

 

     在加拿大，Grafoid和新加坡国立大学成立了世界最大的石墨烯研究中心（NUS），并且在2014年启动位于安大略省的全新生产基地，这个约占2万平方的基地主要生产石墨烯粉，当时，该公司负责人表示他们能以低廉的价格大规模生产高品质的石墨烯。不过，1年多过去，这个基地并未有任何新的消息。

 

    所以，真正阻挠石墨烯大规模应用的，主要还是技术问题。其中低成本、大规模、高品质石墨烯的一致性和可重复合成方法的开发，是最大的困难。

 

     人们耳熟能详的趣事，是安德烈·盖姆用透明胶带得到了石墨烯。但人们不知道的是，这种方法得到的石墨烯尺寸很小，一般在10微米-100微米之间，存在产率低和成本高的不足，不能满足工业化和规模化生产要求。

 

    后来，氧化石墨还原法是制备石墨烯最常用的方法之一。但这种方法得到的主要是石墨烯粉体，而且缺陷非常多，电学、力学性能都较差，需要用浓硫酸氧化石墨，其工业上废液的处理是一个难题。

 

    此后，人们想到制备石墨烯未必要使用石墨，只需要设法让碳原子结成一层薄膜。化学气相沉积法（CVD）应运而生，这种方法是将乙烯或乙炔等气体导入到一个反应腔内，让这些气体在高温下分解，经过冷却后，碳原子就沉积在基底表面形成石墨烯。虽然CVD能满足规模化制备大面积、高质量的石墨烯要求，但问题是，由于其成本较高和工艺复杂等缺点，限制了这种方法在石墨烯制备中的应用。

 

     由于制备方法上巨大的差异，石墨烯粉体和CVD薄膜之间的价格也要相差上千倍。例如1克石墨烯粉体只需要不到10元，而1平方米石墨烯薄膜要几十元到上百元，其重量其实不到1毫克。

 

     还有一种主要方法——溶剂剥离法。由于整个液相剥离的过程没有在石墨烯的表面引入任何缺陷，为其在微电子学、多功能复合材料等领域的应用提供了广阔的应用前景，缺点同样是产率很低。

 

     因此，从应用的角度，石墨烯目前在国内外都是在讲故事的阶段。“除此之外，目前石墨烯在消费电子产品中的尺寸、均匀性和可靠性等工业标准还未确定，因此石墨烯在消费电子产品上的实际用途还未显示出来。”朱宏伟认为，石墨烯目前可以在实验室中做小规模器件，但批量生产与集成质量没法保证。“起码现在还看不到希望。”

 

     事实上，就连盖姆本人，对现在石墨烯目前的这种商业化方式也存保留意见，盖姆认为石墨烯是一个引子，带动了更广泛二维材料的发展。但对于石墨烯来说，从物理学的角度，已经到了一个瓶颈，未来除非有更大的突破，很难有进一步的提升。

  

石墨烯发展大事记

2004年：安德烈.盖姆和康斯坦丁.诺沃肖洛夫以简单的胶带机械剥离方法获得了石墨烯。二人因此获得了2010年诺贝尔物理学奖。

2009年12月：日本富士通研究所宣布成功用石墨烯制作晶体管。

2010年2月：IBM开发出石墨烯FET（场效应晶体管）。

2010年6月：三星与韩国成均馆大学教授饭岛澄男采用石墨烯制作出柔性透明电极。

2012年1月：江南石墨烯研究院及二维碳素等公司宣称联合研制成功全球首款手机用石墨烯电容触摸屏。

2012年8月：诺基亚披露其研发部门在研究石墨烯光电传感器。

2012年9月：索尼宣称开发出用卷对卷工艺制造石墨烯。

2013年1月：中科院重庆研究院宣称研制出国内首片15英寸的单层石墨烯。

2013年5月：江苏常州二维碳素科技有限公司称全球最大规模石墨烯透明导电薄膜生产线正式投产，年产能达3万平方米。

2013年11月：常州第六元素材料科技股份有限公司年产100吨氧化石墨烯、石墨烯粉体生产线投产

2014年4月：三星宣称开发出在半导体晶圆上形成单晶石墨烯技术。

2014年7月：IBM宣布将在未来5年内投资30亿美元用于石墨烯开发

2015年：《中国制造2025》由国务院正式颁布，再次将石墨烯作为新能源提上日程

  

石墨烯国内上市概念股不完全表

 上市公司    合作对象       投资额度     投资时间   石墨烯应用领域

金路集团   与中科院金属所合作    1500万  2011年6月    锂电池

力合股份    持有常州二维1.6%股权  未知  2011年12月   触控屏

乐通股份     宁波墨西      位置    2013年1月        导电油墨

西藏城投     清华大学     600万    2013年7月  超级电容器

中泰化学     厦门凯纳    1412万    2013.7    复合材料

锦富新材    苏州格瑞丰    800万    2013.8   石墨烯粉

中国宝安    深圳贝特瑞     未知     2014.9    锂电池负极

珈伟股份    清华大学   20140万    2014.9     LED

东旭光电  北京理工大学  未知  2014年8       导电膜

南洋科技     合肥微晶   1000万  2014.11    3D石墨烯

正泰电器    上海新池      1012万    2014.12   石墨烯粉

 

 

相关链接

新材料之王的前世今生

 碳是最重要的元素之一，它有着独特的性质，是所有地球生命的基础。纯碳可以是坚硬的钻石，也可以是柔软的石墨。

由于这种材料是从石墨中制取的，而且包含烯类物质的基本特征——碳原子之间的双键，所以称为石墨烯。实际上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。层与层之间附着得很松散，容易滑动，使得石墨非常软、容易剥落。铅笔在纸上轻轻划过，留下的痕迹就可能是几层石墨烯。

　科学家在20世纪40年代就对类似石墨烯的结构进行过理论研究，但在此后很长时间里，制取单层石墨烯的努力一直没有成功，有人认为这样的二维材料是不可能在常温下稳定存在的。2004年10月，发表在美国《科学》杂志上的一篇论文推翻了这种认知。在英国曼彻斯特大学工作的安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫，用普通胶带完成了他们的“魔术”。

　　他们用胶带从石墨上粘下薄片，这样的薄片仍然包含许多层石墨烯。但反复粘上10到20次之后，薄片就变得越来越薄，最终产生一些单层石墨烯。这个看上去非常简单、一点儿也不高科技的方法，并不是他们的首创。在此之前就有人试过，但没能辨识出单层石墨烯。

　　海姆和诺沃肖洛夫把剥离下来的薄片放在氧化硅基板上，光的干涉效应使薄片在显微镜下呈现彩色条纹，就像油膜在水面上产生的效果。利用这种效应，他们观察到了单层石墨烯。就这样，第一种二维晶体材料正式出现了。之后，人们又制备出一些其他二维材料，例如氮化硼和二硫化钼的二维晶体。

　　石墨烯对物理学基础研究有着特殊意义，它使一些此前只能纸上谈兵的量子效应可以通过实验来验证，例如电子无视障碍、实现幽灵一般的穿越。但更令人感兴趣的，是它那许多“极端”性质的应用前景。不过，这种二维的碳到底会给人类世界带来什么样的改变，即使是因此戴上诺贝尔奖桂冠的研究者们，也无法预知。