中科院院士劉忠范：石墨烯——新材料的洼地，在能源領域將大有可為

劉院士指出，石墨烯目前在中國是最時髦的詞之一，在中國正式注冊的石墨烯相關的企業有2059家。按照去年增長的速度來看，他估計現在已經超過了2500家。實際上，據不完全統計，全國各地都在建石墨烯產業園、產業創新中心和各個相關的機構，現在可能已經超過50家。他說，在中國比較特殊的是，很多投資機構、上市公司都參與了對石墨烯產業的推動作用。截止2017年10月19日的統計數據，有不少已經賺錢。現在中國非常多的人參與石墨烯基礎研究和產業推動，在全球石墨烯的專利申請方面是遙遙領先。截止到一年前專利的申請情況，我國占了58%，第二位韓國占比17%，美國占比13%，石墨烯的發源地歐洲占了一少部分，中國是遙遙領先。

石墨烯的確號稱新材料之王，它是最薄最輕的材料，也是最結實、最堅硬、最軟的材料，還是最好的導電材料和導熱材料，加上碳原子，它是柔性的、透明的，一層光吸收是2.3%，97.7%的光是透過去的，所以石墨烯是非常穩定的透明導電材料。

去年2月份在西班牙巴塞羅那開的世界移動通信大會上，由某企業和曼徹斯特大學共同推進的石墨烯汽車，結構部件用石墨烯，車體用石墨烯。雖然碳纖維很輕，但石墨烯比碳纖維還輕。有很多的傳感器，包括電池都可以用石墨烯來做。石墨烯還可以用到各種各樣的傳感器當中，在未來的物聯網建設當中，石墨烯是不可忽視的關鍵材料之一。

石墨烯還可以應用在穿戴設備上，因為是透明導電，所以在可穿戴領域有非常廣闊的開拓空間。在數據通信的應用上，石墨烯有可能代替硅，可以做快速光通信，發展空間非常大。在能源技術，石墨烯不僅可以應用在電池領域，還可以在光伏領域做導電薄膜，也有廣闊的應用空間。

    復合材料石墨烯是輕質高強材料，市場空間非常大。國內現在關注最多、炒作最多的還是與電池相關的產業。石墨烯在能源領域的應用主要體現在電池材料，電池材料基本上是導電添加劑的10%-15%，石墨烯可以有效的提高它的倍率性能和存放電的特性等。石墨烯在超級電容器領域，有著更廣闊前景。國內最近幾年經常有充電幾分鐘，甚至充電幾秒鐘，但這是實驗室水平，作為電池組來說，還有一定距離。

在國內重視比較多的防腐涂料，石墨烯作為它的替代品有比較優秀的性能。石墨烯還能做觸摸屏，因為是透明導電薄膜，它的優點是透明度更好，缺點是導電性不好，尤其是在價格方面的競爭力還遠處于弱勢。

石墨烯作為復合材料，可以有效提高散熱電熱轉換的性能。石墨烯還可以制作內褲、內衣等。

在石墨烯批量制備方面，中國也是領先水平。粉體石墨烯現在國內的產能已經到了7000噸，但是實際上不可能這么多。

石墨烯作為薄膜，它的性能相對更好，國內現在可以做到年產150萬平米，但石墨烯材料的理想與現實還一段距離，原材料本身是石墨烯產業的基石。如同半個世紀前的碳纖維只能做釣魚桿和高爾夫球桿，現在可以做大飛機一樣，石墨烯雖有半個世紀的研究，但從實驗室到實際應用只有十幾年的時間，它在原材料方面有非常大的空間需要去探索和開拓。所以需要持續不斷提升石墨烯材料的品質，這是一條漫長而崎嶇的產業化之路，沒有捷徑可走。

劉院士認為，發展石墨烯產業絕非是一朝一夕的事情，需要國家意志、產學研有效結合和長期不懈的努力，政府需要耐心，企業需要耐心，研究的人更需要耐心，需要大家一起協同去開發。石墨烯還存在一個嚴峻的問題，即常用的技術路線對環境污染很嚴重。比如一個標準的配比：一公斤的石墨烯需要50公斤的濃硫酸，如果大量制造石墨烯，會造成嚴重的污染，所以對環境的環保問題必須提到議事日程上來。

在北京市政府的積極支持下，由北京市政府和若干企業共同出資，由北京大學牽頭建設的新型研發機構北京石墨烯研究院已基本建成。一期面積約一萬平米，專業研發人員300人，現在有五六十人已經到位，十年的總投資是20億元。這個新型研發機構作為民非組織于2016年12月25號正式注冊成立。2017年12月26號注冊成立北京市石墨烯研究院有限公司，注冊資本是3.2億，即一個是企業，實行公司化、產業化的運作；另一個是新型研發機構，承接政府和企業的雙向投資。還配有石墨烯展廳，可以對石墨烯進行廣泛科普宣傳。

北京石墨烯研究院瞄準的是未來石墨烯的產業，希望能夠通過石墨烯研究院的研發來打造未來石墨烯產業的核心競爭力。他們尤其關注的是高品質的石墨烯原材料，比如碳纖維，還關注石墨烯的應用以及規模化的制備技術。

劉院士帶領團隊，經過大量的研究，形成了一種新型運營模式，即雞蛋運營模型。其核心部分是北京石墨烯研究院核心研發團隊，即蛋黃部分。這部分關注的是五年、十年，甚至是二十年核心技術的研發，并且會持續不斷地做核心技術研發，核心團隊大約150人。外圍部分是蛋清，稱為企業研發代工，即每一個企業研發代工對應的是特定企業和特定市場的需求，每個企業分別做石墨烯相關技術的研發，并直接對向產業和市場，團隊規模大約五千到一萬人，甚至更大。最外圍的蛋殼是以企業研發代工、核心技術直接對接市場的基本技術研發，大約有上千人的規模。北京石墨烯研究院設定的十年產業目標是三千億，并將通過這樣一個新興的機制來對接產學研，達到政產學研有效結合的模式。

一是石墨烯原材料與裝備制造。北京石墨烯研究院不僅做材料工藝，也做裝備，他們希望能控制未來高端的石墨烯原材料；二是核心技術研發；三是企業的研發代工 ORM；四是石墨烯的眾創空間，眾創空間將為對石墨烯感興趣的人士提供相關條件，進行產業孵化。

劉院士舉例介紹，他的北京大學的團隊已經有十年多的石墨烯研發歷史，他在北京大學做產業化技術的研發工作是成立研究院的底氣和技術來源。制備決定未來，石墨烯材料做不好，未來產業是沒戲的。比如我國的石墨烯薄膜在全世界做得最好，我國的第二代制備裝備，可以實現每臺年產能兩萬平米。最近，他們的超級石墨烯在材料制備方面有重大的突破，即研發出非常干凈的石墨烯，超潔凈石墨烯，它具有最高的透明性、最高的導電組，改變了人們對石墨烯的認識，是非常接近理想狀況的石墨烯。同時，他們還開發了另外一條技術路線，即用石墨烯作電子芯片，可以做四英寸、八英寸、十二英寸不等；他們還制定了技術標準、研究價格等，他們發現單晶石墨烯如果重復使用，越用效果越好。他們研發的4英寸芯片，相對于一般的多晶結構來說，要小好幾倍，可以小到275歐。另外，他們也在關注裝備，未來要推兩大類產品，一類是超潔凈大規模的石墨烯薄膜制備；二是單晶石墨烯芯片原材料的供應，這是他們在原材料方面具有殺手锏級的成果。

劉院士認為，未來石墨烯產業的主體是要推動石墨烯傳統產業升級換代，以及石墨烯所創造的新產業。

他舉例介紹了所發明的超級石墨烯玻璃，實現了傳統的玻璃和石墨烯材料的完美結合。石墨烯玻璃不僅導電性、導熱性非常好，還可以解決易碎和柔性的問題等。石墨烯玻璃在批量制備裝備上，能夠實現每年五千平米的企業并不多，但是在放大的技術上難度非常大，因為一旦放大，它的均勻性和速率就需要解決，現在還需要耐心地等待研發成果。石墨烯玻璃可能用做智能汽車、玻璃暖氣片、觸摸屏、光學傳感器、智能投影墻，如果在石英玻璃上涂一層石墨烯就可以變成光學傳感器等問題，當前正在研發解決中。

另外，石墨烯級第三代半導體照明產業空間非常大，石墨烯有可能完成下一代的LED產業升級。比如藍光LED是一層一層在藍寶石襯底上做發光，現在巧妙地把石墨烯放到藍寶石上面，就可以一片片的長單晶藍寶石，這將使原有缺陷大幅度降低，而它的發光效率大幅度提升。同樣，石墨烯在600毫安的情況下光輸出功率可以達到20%，石墨烯有效地跟LED產業結合，有可能是下一代顛覆性、變革性的技術。

在超級石墨烯光纖方面，把石墨烯跟光纖有效巧妙的結合起來。用途非常大，比如用它做電光調制器，做特種防腐光纖，不僅導電性非常好，還實行電光纜的結合。

劉院士針對所研究的全新產學研結合的模式，即企業研發代工的模式進行深入剖析。他說，讓機構研究員給特定的企業做研究，而機構充當企業研發代工的角色。針對特定企業的市場結構，成立專門的研發隊伍，一方做市場，一方做研發，這種模式能夠有針對性的、長期穩定的為企業開展石墨烯相關的技術研發。通過這種模式，可以為企業建立長期穩定的研發團隊，可以有效解決企業研發能力不足的難題，解決中小型企業和偏遠地區人才競爭優勢天然不足的問題。研究人員不用跑到偏遠的地區做研發，在本地就可以解決這些需求，而且還不會影響偏遠地區的市場開發等。借助專業化、協同式集成研發平臺模式，可以為企業大幅度降低研發成本，知識共享、技術專用。相對單一項目合作面臨的非成功即失敗的傳統模式，有效提升產學研結合的成功率。這種模式是從頭到尾捆綁制的合作，總會有一個研發是成功的，一方做研發，一方做市場，共同創造品牌。    

他介紹了和中國寶安合作的案例，他的團隊有效地把石墨烯的優勢轉換成在充電箱研制方面的優勢，用石墨烯做充電箱。這種烯碳充電箱，通過研發代工模式來解決高校原來不愿意做的事情，還可以直接對接市場。

劉院士認為，這種企業研發代工模式是中國特色的政產學研結合之路，有廣闊的開發展空間。    

第一個方面，制備決定未來。第二個方面，一定要考慮未來殺手锏級的用途，不能簡單地往涂料、衣服或者是水泥里面放，這些不會代表石墨烯產業的未來，必須找到真正的核心技術。第三個方面，石墨烯產業發展有三種模式，一是碳纖維模式，需要用時間使石墨烯材料做到極致，壯大石墨烯產業；二是數量模式，石墨烯原理上各方面的性能都很好，有可能像塑料袋那樣極大的便利人們的生活；三是硅材料模式，石墨烯從材料角度來講不僅做支撐材料、功能材料，甚至做集成電路、信息化的核心材料，甚至能夠替代銅。

最后，他對他的團隊表示感謝，希望社會各界能夠一起參與到石墨烯產業的開拓上面來，一起把石墨烯產業在中國做起來。

（本文根據會議速記整理，未經許可不可轉載）

【發言人簡介】劉忠范，中國科學院院士，北京大學納米科學與技術研究中心主任，北京石墨烯研究院院長。主要從事納米碳材料、二維原子晶體材料和納米化學研究，在石墨烯、碳納米管的化學氣相沉積生長方法研究領域做出了一系列開拓性和引領性的工作，是國際上具有代表性的納米碳材料研究團隊之一。發表SCI檢索學術論文500余篇，申請中國發明專利72項。近年來在石墨烯研究領域不斷取得重要突破，發明了超級石墨烯玻璃、超級石墨烯光纖、超潔凈石墨烯、標號石墨烯、石墨烯的光化學能帶工程等一系列新概念和新技術，推動了石墨烯領域的快速發展。