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【主题分享】石墨烯的创新运用与前景


2019.11.16


“创响中国”长三角联盟站双创生态峰会主题演讲——石墨烯的创新运用与前景


      嘉宾介绍:长三角石墨烯产业发展专家委员会副主任、江苏石墨烯创新中心技术委员会主任、上海石墨烯产业技术功能型平台专家委员会主任、上海理工大学材料学院原院长杨俊和


      杨俊和:很高兴有这个机会和各位分享关于石墨烯的相关问题。大家都知道,在材料或者创新领域,现在有一个问题或者有一件事情,引起了全球范围内无论是技术界、科学界、产业界还是政界的高度关注。这个事情就是一个小小的石墨烯。


       大概在2016年的时候,我们的总书记三次去看石墨烯有关的技术进展,并且亲自推动我们国家石墨烯的创新发展。为什么石墨烯从2004年发表第一篇论文到2010年获得诺贝尔物理奖,到今天也就仅仅15年的时间,它能够引起全国如此高的关注。其重要原因是,它确实具有非常特殊的性能。比如说它现在是人类看到的最薄最轻的材料,它是导热性最好的材料、电子迁移率最高的材料。它本身是一种新材料,是一种性能非常特殊的新材料,同时还是其他新材料的基本建构单元。


       从目前的石墨烯进展来看,人们或者科学界、产业界都共同认为,石墨烯将会给人类带来巨大的变化。所谓无烯不能。未来它可能在很多很多领域得到广泛应用,比如说在水处理领域、结构领域、电子领域、生物医药领域、复合材料领域等等,都会有它的应用。并且现在这些应用不仅仅停留在科学家的实验室,更多已经开始走向产业化。


       给大家看一个专利的分布,这是到2018年12月底的时候,全世界关于石墨烯应用技术已经授权的专利,已经有46085项,这只是应用,包括制备的话,石墨烯的专利现在已经有7万项。在四大主要领域,储能领域、化工领域、电子领域和生物医药领域,人们都在对石墨烯进行充分的应用研究,并且已经形成了大量专利全覆盖。


       简单介绍两句,什么是石墨烯?这么热闹的一个东西,这么引起关注的东西到底是什么呢?其实它很简单,就是一层碳,就是碳的一个单原子构成了一层二维晶体材料。从2004年,一个老师和学生,他们在英国的曼城大学发表了第一篇文章,到2010年就获得诺贝尔物理奖。这在诺贝尔奖历史上是从发现到获奖最短的成果之一,当时获奖的原因是,一:本身可能有巨大用途,当时大家还没有意识到它的巨大用途,而更多知道它打破了一个经典理论:“人类一直认为二维晶体材料在非绝对零度下是不能稳定存在的。也就是在正常情况下,二维晶体材料不能稳定存在,只有在绝对零度下才能稳定存在”。正是这样的经典理论制约人们的想象和行为,使得我们人类从来没有介入过二维晶体材料这整个大的领域。我们过去一直说零维材料、一维材料和三维材料,原因就是这个经典理论一直制约着。


      他们获奖以后就打破了这样一个经典理论,证明二维晶体材料是能稳定存在的。石墨烯是什么呢?实际上很简单,就是把石墨这样一层一层构成的,把这一层拿出来就是石墨烯,石墨构成这样一个单层的,并且有六角网状构成的晶体节结构,就是石墨烯。实际上我们人类对它并不陌生,因为人类对石墨的应用已经有一百多年的历史了。


       最早每一个人启蒙的时候,用的铅笔本身就是石墨。所以铅笔在纸上一划,实际上划了无数个石墨烯层片,只是我们没认识到它就是石墨烯。直到这对师生发现并命名了这个材料。实际上就是由碳原子实现的二维网状材料。从发现到现在也就仅仅15年时间左右,人们给了它无数的美誉。实际上每一个美誉都寄托着人们对它的期望。比如说人们认为它是当今材料界的巨星。人们认为它是目前最强的功能材料、通往宇宙的天梯,人们寄希望于它。它是比钻石还硬的材料,获得诺贝尔奖的时候,还有一个贡献就是它有一个特殊性能——电子的输运能力,这有可能改变现在的硅半导体,所以人们希望它能代替硅,引领新一代摩尔定律的继续进步。


       世界各个国家都对石墨烯的发展给予了高度的关注,出台了一系列国家层面的支持计划,在抢占石墨烯的科技和产业制高点。发达国家或发达经济体全部都在从国家级层面给予了高度关注。各个地方根据它自己的发展特点,对石墨烯给予不同的关注。比如说美国,它主要是在电子器件领域,另外还有一个特点是,这些国家的大企业,全部都在进行石墨烯的研发工作。


      从2004年开始,人们就对石墨烯的特殊物质性给予了很多的想象,并且形成了一些可能的技术路径图。大家普遍认为石墨烯现在已经到了产业化的快速增长前期,未来到2035年的时候,我们国家会抢占先机,人们认为石墨烯可能会在国际上形成万亿美元的行业。


       现在在国际上已经形成了几个大的区域,比如说在美国,它是投入比较早的。它现在更多的其实还是在基础研究这块。石墨烯是从英国发起的,它当然居于世界领先水平,但是主要还是在基础研究。两个礼拜前,诺贝尔奖的获得者还来中国参加滴水湖的顶级科学家论坛。产业化的速度和国家整个产业有关,所以这方面是比较慢的。除了英国以外,欧盟现在提出了一个欧盟的旗舰计划,在欧盟经济比较困难的情况下,仍然拿出10万欧元搞了一个石墨烯旗舰计划,有160多个机构来参与。另外还有韩国、日本等等。日本一直对新技术是比较敏感的。当然还有我们中国,诺贝尔获得者自己写了一段话,认为石墨烯的发现在英国,石墨烯的产业化在中国。


      经过这十五年的发展,除了理论上的不断进步、科学上不断新的发现特殊性能以外,在石墨烯的几大领域里,比如说储能领域,现在有锂电池的应用。我们现在经常看到新闻报道,充电三分钟可以跑三万公里,当然这个宣传的有点过。但是石墨烯的导入让电池能够实现快充,这点是有理论依据的。比如说超级电容器,蕴含石墨烯的防腐材料、电缆材料等等,这些都已经产业化。石墨烯在电子领域里也广为运用,比如说石墨烯的散热,大家知道华为最新的产品,轮值主席就说了一句,没有石墨烯就没有这次发布的met30 pro(音)。我们一般的老百姓,现在最能感受到石墨烯和自己相关的,是在市场上或者京东阿里上看到的大量石墨烯保健用品。比如说石墨烯的腰带,石墨烯的护颈等等。去京东、阿里上看一看,非常多。环保领域、航空航天领域,也都已经开始了实践的应用,虽然现在的应用量还不是很大。


      越来越多的大企业在介入或者直接参与石墨烯的产业化,这给了我们一个信号。所以我现在牵头搞石墨烯联合研究中心,我不断呼吁大企业该出手了,过去都是小微企业在干,到一定阶段的时候,大企业如果还不出来就会失去机会。


     除了总书记推动以外,国家专门成立了新材料领导小组、出台了一系列关于支持石墨烯创新发展的文件。有关部门的领导说,中国很少为某一个东西出台这么多的系列文件,不断的支持、推动它。目前的石墨烯状况,大概是这样的。接下来将快速进入成长期和成熟期,这个时间会非常短。


      而我们国家在有关政府的支持下,现在已经形成了石墨烯的产业分布,尽管有二十多个省市都规划了石墨烯产业布局,有些省市还成立了以省长、副省长主导的石墨烯产业小组,出台了很多政策支持各地方石墨烯的产业发展和创新。很多地方也形成了科技园等等。


     上个月底,我们国家注册的与石墨烯相关的单位数量达12228家。实际开展石墨烯业务的单位约3000多家,开始盈利的有50多家。现在差不多形成了几个集聚区,虽然每个区都有,除了西藏以外,其他每个省都在搞石墨烯的有关问题。当然现在也形成了几块集聚,比如长三角、珠三角、环渤海、中部、西部几个地方,长三角这块一部分,珠三角一部分,环渤海一部分。


      我们认为这三个地区是最有可能成为产业集聚区的,一个是长三角,江苏、上海、浙江,安徽还稍微少一点,但是他们已经开始重视石墨烯,也已经跟我们谈过,有可能在这个月就要成立一个包括安徽在内的长三角联合石墨烯创新中心。长三角这三个地方各有优势,比如说江苏,我待会儿会以江苏的石墨烯为案例,讲我们的发展状态。在这个方面,江苏是全球领先的,广东肯定是以深圳那片为主,环渤海主要是北京牵头。


      接下来我以江苏常州的石墨烯为案例,给大家介绍一下目前到了什么阶段。常州的石墨烯也是总书记亲自看过的,马凯副总理亲自带队去调研的。目前已经形成了多元化的双创平台,包括江南石墨烯研究院。现在已经形成了比较完善的石墨烯服务体系和产业化体系,它还是国家批准的第一个国家级石墨烯产业园。另外,布局了一个石墨烯小镇,这个小镇现在也已经初具规模。在不同的阶段形成了不同的核心竞争力,从2013年开始,江苏省和常州市以及武进区就在联合推动石墨烯在这个地方的产业化。


      早些的时候我不太了解,后来我去了以后,跟当地的领导聊天,常州没什么大学,也没有什么985、211,也没有什么国家级研究基地、研究所、研究院,那为什么这样一个新的东西能够在常州首先得到政府的关注并且得到产业化?我觉得这件事情也可以来分析。


      它现在的产业链已经初具规模,无论从制造、应用还是服务体系,都已经初具规模。并且现在已经集聚了150多家企业,石墨烯两家在新三板正式挂牌。我现在跟他们两家的老板说,你们要想办法尽快转板,转到科创板。


      常州的石墨烯,包括诺贝尔的获得者也认可,世界的石墨烯产业看中国,中国的石墨烯产业看常州,其原因是众多的石墨烯都是在常州诞生的,包括第一个关于石墨烯的光纤移动传感器被军方认可。常州之所以发展到今天,是各方领导认可的结果。2014年12月,习近平总书记在考察江苏省产业技术研究院时,对常州石墨烯的发展成果给予了充分肯定,并寄予厚望。

  

       虽然我们说发展的很快,但是它存在四个短板。一是关于制备技术,现在还不能稳定,低成本、大批量,能够稳定的制备技术,需要再突破。第二个是产业链上下游衔接不畅。第三个就是前瞻性布局不足,大家过于看眼前,今年能不能赚钱,明年能不能赚钱,小企业一定是这样,所以为什么我说大企业现在可以出来担当了,因为你们可以布局的更前站一些。可持续发展能力仍待提升。

   

       我们提了四个建议,一个是“杀手锏”级应用要长远布局。第二个要整合资源、探索产业化有效路径。第三要保持战略定力强化自主创新,千万不能乱炒作。第四个要适当提高入门的门槛,不是说谁都能找到并且做出石墨烯。

   

       我来自上海理工大学,我们形成了这些技术,目前正在产业化。有一个老总说想把我整个团队包下来,我说包有点危险,看看再说吧。谢谢大家!