近年來(lái)，中韓美等國(guó)角逐石墨烯前沿應(yīng)用領(lǐng)域，我國(guó)相關(guān)專(zhuān)利申請(qǐng)量已領(lǐng)跑全球，但專(zhuān)利質(zhì)量仍待提升，海外專(zhuān)利布局仍較薄弱，產(chǎn)業(yè)化難題也亟待破解。相關(guān)專(zhuān)家表示，我國(guó)需要整合科研機(jī)構(gòu)和企業(yè)的力量，在制備方法和工藝上尋求突破，完善專(zhuān)利布局，打造從原料、制備、產(chǎn)品開(kāi)發(fā)到下游應(yīng)用的石墨烯全產(chǎn)業(yè)鏈，才能推動(dòng)石墨烯更快地走向產(chǎn)業(yè)化。

原標(biāo)題：專(zhuān)利申請(qǐng)量領(lǐng)跑全球，但專(zhuān)利布局仍待完善，產(chǎn)業(yè)化難題仍待破解——

石墨烯：如何實(shí)現(xiàn)科研與商用并駕齊驅(qū)？

作為目前已知的世界上最薄、最堅(jiān)硬、導(dǎo)電性最好的材料，石墨烯自問(wèn)世以來(lái)就受到業(yè)界的廣泛關(guān)注。由于具有優(yōu)異的力學(xué)、熱學(xué)和電學(xué)性能，其被認(rèn)為有望在半導(dǎo)體、光伏、鋰電池、超級(jí)電容器、電子顯示器件等領(lǐng)域帶來(lái)革命性變化。

2004年石墨烯的成功分離，激發(fā)了全球范圍內(nèi)石墨烯研發(fā)的熱潮，我國(guó)相關(guān)專(zhuān)利申請(qǐng)更是快速增長(zhǎng)。近年來(lái)，中韓美等國(guó)角逐石墨烯前沿應(yīng)用領(lǐng)域，我國(guó)相關(guān)專(zhuān)利申請(qǐng)量已領(lǐng)跑全球，但專(zhuān)利質(zhì)量仍待提升，海外專(zhuān)利布局仍較薄弱，產(chǎn)業(yè)化難題也亟待破解。對(duì)此，專(zhuān)家表示，我國(guó)需要整合科研機(jī)構(gòu)和企業(yè)的力量，在制備方法和工藝上尋求突破，完善專(zhuān)利布局，打造從原料、制備、產(chǎn)品開(kāi)發(fā)到下游應(yīng)用的石墨烯全產(chǎn)業(yè)鏈，才能推動(dòng)石墨烯更快地走向產(chǎn)業(yè)化。

專(zhuān)利申請(qǐng)領(lǐng)跑全球

石墨烯是一種由碳原子組成的平面薄膜，是只有一個(gè)碳原子厚度的二維材料。其擁有高度的柔性、透光性、超強(qiáng)導(dǎo)電性，是非常有潛力的應(yīng)用材料，目前，世界各國(guó)都在積極投身于石墨烯技術(shù)的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。中國(guó)科學(xué)院文獻(xiàn)情報(bào)中心和美國(guó)化學(xué)文摘社近日發(fā)布的《石墨烯研發(fā)態(tài)勢(shì)監(jiān)測(cè)分析報(bào)告》顯示，截止到2016年4月5日，全球共有石墨烯相關(guān)論文7.8756萬(wàn)篇，相關(guān)專(zhuān)利申請(qǐng)2.3057萬(wàn)件。

“2010年以后，石墨烯研發(fā)進(jìn)入快速發(fā)展的活躍期，全球50%以上的石墨烯研究論文和專(zhuān)利申請(qǐng)主要集中在2014年至2016年?！敝袊?guó)科學(xué)院文獻(xiàn)情報(bào)中心副主任劉細(xì)文介紹，從地域分布看，全球該領(lǐng)域?qū)＠暾?qǐng)量排名前五位的國(guó)家為中國(guó)、韓國(guó)、美國(guó)、日本和德國(guó)，這五國(guó)的專(zhuān)利申請(qǐng)總量占全球該領(lǐng)域?qū)＠暾?qǐng)量的90%以上。

不過(guò)，在這五國(guó)中，美國(guó)和日本自上世紀(jì)90年代就開(kāi)始提交石墨烯專(zhuān)利申請(qǐng)，明顯早于中國(guó)和韓國(guó)。中國(guó)自2007年進(jìn)入石墨烯領(lǐng)域后，相關(guān)專(zhuān)利申請(qǐng)急劇增多，2010年后更是爆發(fā)式增長(zhǎng)，該領(lǐng)域?qū)＠暾?qǐng)占全球該領(lǐng)域?qū)＠暾?qǐng)總量的59.06%，美國(guó)和韓國(guó)的這一占比則分別為11.17%和15.43%。

“目前，盡管我國(guó)石墨烯專(zhuān)利申請(qǐng)量已領(lǐng)跑全球，但海外專(zhuān)利布局較弱?！眲⒓?xì)文介紹，石墨烯專(zhuān)利申請(qǐng)主要流向美國(guó)和中國(guó)，中國(guó)在韓、日、美、德僅有2.3%的石墨烯專(zhuān)利申請(qǐng)，而韓、美、日、德在其他四個(gè)主要專(zhuān)利申請(qǐng)來(lái)源國(guó)分別有27.8%、24.8%、32.3%和45.3%的石墨烯專(zhuān)利申請(qǐng)。

另外，我國(guó)石墨烯專(zhuān)利申請(qǐng)主要由科研院所主導(dǎo)，韓國(guó)和美國(guó)則主要由企業(yè)主導(dǎo)。2007年至2015年，中國(guó)科學(xué)院以1299件石墨烯專(zhuān)利申請(qǐng)位列全球首位；韓國(guó)石墨烯專(zhuān)利申請(qǐng)最多的是三星電子有限公司，為515件；IBM以186件石墨烯專(zhuān)利申請(qǐng)位列美國(guó)第一。

產(chǎn)業(yè)應(yīng)用仍待加強(qiáng)

經(jīng)過(guò)十多年的快速發(fā)展，目前，中美韓日等主要石墨烯技術(shù)原創(chuàng)國(guó)已積聚了大量的專(zhuān)利儲(chǔ)備，逐漸形成了技術(shù)優(yōu)勢(shì)和相對(duì)穩(wěn)定的競(jìng)爭(zhēng)格局，但是，技術(shù)研發(fā)火熱的背后，石墨烯仍然面臨產(chǎn)業(yè)化緩慢的難題。

“對(duì)于公眾來(lái)說(shuō)，體現(xiàn)石墨烯價(jià)值最直觀(guān)的是終端產(chǎn)品，但是，從石墨烯原材料到石墨烯終端產(chǎn)品，還有很長(zhǎng)的路要走?！眹?guó)家納米科學(xué)中心研究員智林杰告訴本報(bào)記者，石墨烯能否實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化主要與四方面因素相關(guān)：一是成本控制，二是質(zhì)量控制，三是知識(shí)產(chǎn)權(quán)，四是終端產(chǎn)品。這些問(wèn)題不一一解決，石墨烯的大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化就難以實(shí)現(xiàn)。

記者在采訪(fǎng)中了解到，目前，石墨烯的一個(gè)重要產(chǎn)業(yè)路線(xiàn)是從石墨到石墨烯再到終端產(chǎn)品，這中間會(huì)涉及許多方面的技術(shù)，包括石墨原材料的開(kāi)采、純化、深加工等，而我國(guó)這些方面的技術(shù)都還比較薄弱。比如，我國(guó)石墨儲(chǔ)量和石墨開(kāi)采量均是世界第一，但是我國(guó)采浮選技術(shù)落后，污染重、能耗高，幾乎沒(méi)有高質(zhì)量的深加工能力，加工出的石墨原材料雜質(zhì)多，純度不夠。由于生產(chǎn)包括高質(zhì)量的石墨烯在內(nèi)的許多石墨烯深加工產(chǎn)品對(duì)原材料要求很高，我國(guó)很多機(jī)構(gòu)不得不把石墨粗粉運(yùn)到國(guó)外進(jìn)行提煉、純化，然后再運(yùn)回國(guó)使用，導(dǎo)致嚴(yán)重的資源浪費(fèi)和經(jīng)濟(jì)損失。不僅如此，石墨烯材料的基礎(chǔ)研究也還有待加強(qiáng)和深入，其性能優(yōu)化和規(guī)?；a(chǎn)的很多技術(shù)和方法，也需尋求突破。

“除了技術(shù)、成本等因素，知識(shí)產(chǎn)權(quán)問(wèn)題也還需要引起關(guān)注。我國(guó)石墨烯專(zhuān)利申請(qǐng)數(shù)量不少，但主要布局在國(guó)內(nèi)，國(guó)外專(zhuān)利申請(qǐng)很少，這說(shuō)明我國(guó)石墨烯相關(guān)技術(shù)的國(guó)際影響力還不夠。未來(lái)石墨烯競(jìng)爭(zhēng)將是全球化競(jìng)爭(zhēng)，海外專(zhuān)利布局不足會(huì)對(duì)產(chǎn)業(yè)發(fā)展帶來(lái)很大影響。”智林杰表示。

多點(diǎn)突破促進(jìn)發(fā)展

由于具有廣闊的前景，目前，世界各國(guó)都在加緊布局石墨烯產(chǎn)業(yè)。我國(guó)不僅在國(guó)家層面部署了石墨烯研發(fā)計(jì)劃和研發(fā)項(xiàng)目，許多地方政府還籌劃建立了石墨烯產(chǎn)業(yè)園、石墨烯產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院等。根據(jù)《〈中國(guó)制造2025〉重點(diǎn)領(lǐng)域技術(shù)路線(xiàn)圖》的規(guī)劃，我國(guó)石墨烯發(fā)展的總體目標(biāo)是，2020年形成百億元產(chǎn)業(yè)規(guī)模，2025年整體產(chǎn)業(yè)規(guī)模突破千億元。

記者在采訪(fǎng)中了解到，近年來(lái)，石墨烯材料的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用不斷深化和拓展，從材料性能、電子學(xué)性能不斷向電池、電容器、半導(dǎo)體、傳感器器件等應(yīng)用方向延伸。在能源利用領(lǐng)域，石墨烯在二次電池、超級(jí)電容器等方面，部分含有石墨烯的產(chǎn)品已處于試用階段。

然而，石墨烯在能源、生物學(xué)、電子學(xué)等諸多領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，對(duì)石墨烯的低成本綠色制備、高質(zhì)量精細(xì)結(jié)構(gòu)調(diào)控以及多級(jí)次多功能組裝與集成，提出了越來(lái)越高的要求?！拔覈?guó)石墨烯技術(shù)研發(fā)力量主要集中在科研機(jī)構(gòu)，未來(lái)，還需要整合研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)的力量，各自發(fā)揮優(yōu)勢(shì)，合作攻關(guān)技術(shù)難點(diǎn)，并推動(dòng)產(chǎn)業(yè)化，以實(shí)現(xiàn)科研與商用的并駕齊驅(qū)?！眲⒓?xì)文表示。

在劉細(xì)文看來(lái)，要加快石墨烯的應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程，還需加大研發(fā)力度，突破一些技術(shù)難點(diǎn)。“主要是在制備方法和工藝上進(jìn)行新的突破，未來(lái)制備工藝將呈現(xiàn)出多元化發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)制備方法和技術(shù)進(jìn)行研發(fā)、改進(jìn)和優(yōu)化將成為研發(fā)熱點(diǎn)。另外，基于石墨烯結(jié)構(gòu)各向異性、性能各向異性的研發(fā)也將是重點(diǎn)研究方向?！眲⒓?xì)文表示。

在加快研發(fā)的同時(shí)，提升專(zhuān)利質(zhì)量、加強(qiáng)海外專(zhuān)利布局也是關(guān)鍵?！澳壳埃覈?guó)高質(zhì)量低成本的石墨烯綠色制備技術(shù)仍處于研發(fā)階段，與原材料相關(guān)的基礎(chǔ)專(zhuān)利和核心專(zhuān)利比較缺乏，而這些專(zhuān)利正是屬于石墨烯產(chǎn)業(yè)鏈上游的技術(shù)。誰(shuí)擁有這些專(zhuān)利，誰(shuí)將擁有更多話(huà)語(yǔ)權(quán)。只有攻破核心技術(shù)，降低生產(chǎn)成本，打造從原料、制備、產(chǎn)品開(kāi)發(fā)到下游應(yīng)用的石墨烯全產(chǎn)業(yè)鏈，才可能推動(dòng)石墨烯更快地走向產(chǎn)業(yè)化。”智林杰表示。

相關(guān)鏈接

石墨烯本來(lái)就存在于自然界，只是難以剝離出單層結(jié)構(gòu)。石墨烯一層層疊起來(lái)就是石墨，厚1毫米的石墨大約包含300萬(wàn)層石墨烯。鉛筆在紙上輕輕劃過(guò)，留下的痕跡就可能是好多層石墨烯。2004年，英國(guó)曼徹斯特大學(xué)物理學(xué)家安德烈·蓋姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫，用微機(jī)械剝離法成功從石墨中分離出石墨烯，因此兩人共同獲得2010年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

作為一種新型納米材料，石墨烯在很多領(lǐng)域都有著廣泛應(yīng)用。新能源電池是石墨烯最早商用的一大重要領(lǐng)域。目前，美國(guó)麻省理工學(xué)院已成功研制出表面附有石墨烯納米涂層的柔性光伏電池板，可極大降低制造透明可變形太陽(yáng)能電池的成本，這種電池有可能在夜視鏡、相機(jī)等小型數(shù)碼設(shè)備中應(yīng)用。另外，石墨烯超級(jí)電池的成功研發(fā)，也解決了新能源汽車(chē)電池的容量不足以及充電時(shí)間長(zhǎng)的問(wèn)題。

柔性顯示屏未來(lái)市場(chǎng)廣闊，作為基礎(chǔ)材料的石墨烯前景也被看好。韓國(guó)研究人員已制造出了有多層石墨烯和玻璃纖維聚酯片基底組成的柔性透明顯示屏。韓國(guó)三星公司和成均館大學(xué)的研究人員制造出了一塊電視機(jī)大小的純石墨烯，他們用該石墨烯塊制造出了一塊柔性觸摸屏。從理論上來(lái)講，未來(lái)，人們可以輕松卷起擁有柔性顯示屏的智能手機(jī)。

此外，石墨烯在航天、感光元件、復(fù)合材料等領(lǐng)域也可以發(fā)揮重要作用。正是因此，石墨烯被稱(chēng)為“黑金”，是“新材料之王”，科學(xué)家甚至預(yù)言，石墨烯將“徹底改變21世紀(jì)”。