石墨烯：黃金應(yīng)用時代來了？

　　當人工智能芯片的算力提升遭遇散熱瓶頸，當新能源電池的續(xù)航能力尋求突破，當腦接口技術(shù)需要更優(yōu)生物相容性材料，全球產(chǎn)業(yè)界的目光正不約而同地投向同一種材料——石墨烯。日前，記者從多位專家處了解到，這種由碳原子組成的單層二維材料，經(jīng)歷多年產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用探索后，正以其卓越的電學(xué)、熱學(xué)和力學(xué)性能，真正迎來黃金應(yīng)用時代的曙光。

　　因需定制，產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用空間廣闊

　　過去，石墨烯被認為是一種只存在于理論中的材料。科學(xué)家們普遍認為，室溫下碳原子的強烈熱振動會導(dǎo)致單層碳原子無法穩(wěn)定存在，最終分解成微小的球狀結(jié)構(gòu)。然而，2004年，英國物理學(xué)家安德烈·蓋姆和他的學(xué)生康斯坦丁·諾沃肖洛夫，用一卷普通膠帶成功從石墨中分離出單層碳原子的石墨烯。這一“撕”，不僅“撕”出了2010年諾貝爾物理學(xué)獎，更開啟了二維材料的新大門。

　　石墨烯發(fā)現(xiàn)者之一康斯坦丁·諾沃肖洛夫表示：“石墨烯已應(yīng)用于電池、電子產(chǎn)品、熱管理等多個領(lǐng)域，并在碳捕集、氫能等方面實現(xiàn)突破。我認為，未來可能會有更多的諾貝爾獎出現(xiàn)在石墨烯領(lǐng)域?！?/p>

　　石墨烯并非單一材料，而是一個“材料家族”。正如浙江大學(xué)教授、杭州高烯科技創(chuàng)始人高超所言：“不同形態(tài)、分子結(jié)構(gòu)、缺陷的石墨烯表現(xiàn)出來不同的性能，這為其產(chǎn)業(yè)化提供了廣闊空間?！睙o論是通過化學(xué)氣相沉積（CVD）生長的完美單晶，還是通過氧化還原法制備的功能化氧化石墨烯，抑或是機械剝離的粉末，每種形態(tài)都能在特定應(yīng)用場景中找到用武之地。這種“因需定制”的特性，使得石墨烯能夠根據(jù)不同產(chǎn)業(yè)需求進行適配，為其規(guī)?；a(chǎn)業(yè)化應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

　　邁向務(wù)實，從“工業(yè)味精”向“維生素”轉(zhuǎn)變

　　中國科學(xué)院院士劉忠范用“前途無量，任重道遠”形容當今的石墨烯產(chǎn)業(yè)。他指出，作為新型的朝陽產(chǎn)業(yè)，石墨烯整體上依然處于發(fā)展的初級階段。

　　中國石墨烯產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟理事長李義春將石墨烯產(chǎn)業(yè)發(fā)展劃分為三個階段：2013年至2015年為產(chǎn)業(yè)“投資熱”時期；2015年至2018年為投資相對理性的調(diào)整期；2018年華為手機中采用石墨烯散熱技術(shù)，產(chǎn)業(yè)進入了注重實際應(yīng)用價值、解決國家重大需求的高質(zhì)量發(fā)展階段。他認為，石墨烯在產(chǎn)業(yè)鏈中的角色正從“工業(yè)味精”向“維生素”轉(zhuǎn)變，其應(yīng)用價值正不斷深化。

　　這一演進過程在全球范圍內(nèi)同樣得到印證?！笆┬袠I(yè)經(jīng)歷了從熱情高漲到理性回歸的過程，如今有實力的企業(yè)正快速推進行業(yè)發(fā)展和產(chǎn)業(yè)化進程?！笨邓固苟　ぶZ沃肖洛夫指出，幾年前石墨烯的應(yīng)用還大多停留在電池復(fù)合材料、熱管理等概念階段，而現(xiàn)在，光電子應(yīng)用、調(diào)制器、光電探測器等高科技產(chǎn)品正逐步走向市場，產(chǎn)業(yè)發(fā)展態(tài)勢越來越健康。

　　在實際應(yīng)用層面，石墨烯已實現(xiàn)從概念到務(wù)實的跨越。在新能源領(lǐng)域，其作為導(dǎo)電添加劑提升了鋰電池性能，并實現(xiàn)規(guī)?；逃?；在氫能領(lǐng)域，石墨烯氣凝膠儲氫罐的商業(yè)化應(yīng)用成本顯著降低；在電子化學(xué)品領(lǐng)域，石墨烯熱界面材料為AI算力提升筑牢熱管理屏障；在生物醫(yī)療領(lǐng)域，全球首例石墨烯腦機接口臨床植入手術(shù)已成功實施。

　　協(xié)同創(chuàng)新，構(gòu)建良性循環(huán)生態(tài)體系

　　產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展離不開良性生態(tài)的支撐。我國石墨烯產(chǎn)業(yè)已形成從國家戰(zhàn)略到地方政策的完善支持體系。據(jù)全國工商聯(lián)新能源商會助理秘書長、儲能專委會秘書長汪洪昌介紹，隨著石墨烯材料制備及應(yīng)用技術(shù)的不斷成熟，其在新能源領(lǐng)域已形成了技術(shù)突破、場景落地、規(guī)模擴張的良性循環(huán)。

　　然而，產(chǎn)業(yè)面臨制備成本高、標準化程度低、下游應(yīng)用拓展難等問題，破解難題的關(guān)鍵在于“協(xié)同創(chuàng)新”。

　　劉忠范認為，石墨烯產(chǎn)業(yè)的發(fā)展絕非單打獨斗可以成功，迫切需要構(gòu)建產(chǎn)學(xué)研用協(xié)同創(chuàng)新的生態(tài)體系，這要求科學(xué)家、工程師和企業(yè)家們“同乘一條船，共擔一份責(zé)”，同時需要政府與市場協(xié)調(diào)配合，營造可靠的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)環(huán)境。

　　高超強調(diào)：“在石墨烯從實驗室走向市場的過程中，產(chǎn)學(xué)研協(xié)同能夠加速創(chuàng)新技術(shù)向產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)化。未來需要不斷創(chuàng)新產(chǎn)學(xué)研機制，讓科研人員不僅是研發(fā)主體，更能成為產(chǎn)業(yè)化的主體，推動更多全新應(yīng)用場景落地?！?/p>

　　正泰集團研究院院長、正泰電氣副總裁李乃湖補充道，高等院校注重知識驅(qū)動，企業(yè)更關(guān)注市場驅(qū)動，可以通過與高校、科研院所成立聯(lián)合研發(fā)中心等形式，將一線市場需求與高校研發(fā)資源結(jié)合，共同推進技術(shù)創(chuàng)新以及產(chǎn)品創(chuàng)新。同時，創(chuàng)新成果也可以在企業(yè)內(nèi)部進行孵化，助力產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。

　　質(zhì)量引領(lǐng)，布局未來產(chǎn)業(yè)新賽道

　　李義春預(yù)言，未來十年，石墨烯將進入黃金應(yīng)用時代。他進一步闡釋，隨著硅基技術(shù)接近其物理極限，碳基材料特別是石墨烯等二維材料，有望成為引領(lǐng)下一代信息技術(shù)變革的關(guān)鍵。

　　歐盟《石墨烯路線圖（2023版）》提出，到2030年全球石墨烯需求量預(yù)計最高可增加到每年17萬噸，產(chǎn)量需求空間巨大。

　　記者了解到，未來十年石墨烯增長的核心賽道已然清晰。其一，在散熱領(lǐng)域，隨著AI算力需求爆發(fā)，芯片散熱成為關(guān)鍵瓶頸，石墨烯散熱技術(shù)已成為英偉達、華為等巨頭的選擇，未來十年將形成千億級市場。其二，碳基芯片技術(shù)已初見雛形。2024年，中國和美國科研人員聯(lián)合研制出世界上第一個由石墨烯材料制成的功能半導(dǎo)體，其載流子遷移率達到硅的10倍。其三，我國在石墨烯纖維等原創(chuàng)研發(fā)方面處于全球領(lǐng)先，該材料有望替代現(xiàn)有高端復(fù)合材料（如碳纖維）。

　　康斯坦丁·諾沃肖洛夫指出，未來十年石墨烯產(chǎn)業(yè)將重點聚焦可持續(xù)發(fā)展、醫(yī)療健康和通信三個方向。目前各種新興電池技術(shù)不斷發(fā)展，石墨烯可能在其中發(fā)揮重要作用。在通信尤其是量子通信方面，隨著6G技術(shù)的發(fā)展，太赫茲頻段備受關(guān)注，采用石墨烯材料的天線，能夠在大赫茲系統(tǒng)中發(fā)揮不可替代的作用。此外，歐洲已投入大量資源深入研究石墨烯在醫(yī)療健康方面的應(yīng)用。

　　“石墨烯產(chǎn)業(yè)發(fā)展需國際協(xié)同合作、優(yōu)勢互補。對于企業(yè)尤其是中小企業(yè)來說，只有具備相應(yīng)的產(chǎn)業(yè)化以及生產(chǎn)制造能力，才能實現(xiàn)商業(yè)和市場的可持續(xù)發(fā)展?！睔W盟石墨烯旗艦計劃路線圖制定者、意大利國家研究委員會委員弗朗切斯科·博納克爾索表示。

　　汪洪昌認為，從高效儲能電池到柔性光伏材料，從智能熱管理到輕度催化載體，石墨烯與新能源的深度融合不僅是新興產(chǎn)業(yè)煥新的關(guān)鍵抓手，更是搶占全球新能源科技競爭制高點的重要突破口。展望“十五五”，隨著石墨烯在新能源各場景的規(guī)?；瘧?yīng)用，我國石墨烯產(chǎn)業(yè)將加速從規(guī)模領(lǐng)先向質(zhì)量引領(lǐng)轉(zhuǎn)型。（李思涵）

　　轉(zhuǎn)自：中國化工報

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