刘忠范院士：石墨烯产业处于市场冷静期 要找到“杀手锏”级应用

在人类文明的进程中，碳材料扮演着重要的角色。

最早的碳材料，可以追溯至远古时代的钻木取火，其干木头中50%以上都是碳。

公元前2450年，印度人发现了天然金刚石；19世纪上半叶，北美人用天然气大规模生产炭黑，助推了炭黑产业发展。20世纪50年代末，碳纤维进入了大众视野。20世纪80年代以来，一个个新型的纳米碳材料问世，如C60和富勒烯，1996年斩获诺贝尔化学奖；1991年，人们发现了一维的碳材料——碳纳米管；2004年发现了二维碳材料——石墨烯，并于2010年获得诺贝尔物理学奖。

远古时代至今，碳材料家族不断迎来新成员，并不断创造出新产业，如金刚石产业、石墨产业、炭黑产业、活性碳产业、碳纤维产业等。

“下一个碳材料产业是什么？我坚信是石墨烯产业，它应该是古老碳材料产业中的新星，是碳材料产业的继承者。”5月25日，新材料在线®主办，新材料企业家成长营共同协办的“百大名师”系列在线课程上，中国科学院院士、北京石墨烯研究院院长刘忠范围绕主题《古树新枝，继往开来的石墨烯材料》，针对碳材料的发展历程、石墨烯的广阔应用前景及技术挑战等话题，发表了精彩的演讲直播。

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石墨烯：神奇的特性造就无限的未来

诚然，石墨烯这一材料的神奇特性，为产学研界带来了无限的期待。“因为石墨烯是最薄最轻的材料，也是最坚硬的材料，它的导电性、导热性从理论上讲都是无与伦比的，并且具有柔性和非常高的化学稳定性，可以想象未来它的前景是多么广阔。”

提及发现过程，刘忠范院士打趣道“石墨烯是用透明胶带撕出来的”。

据介绍，石墨烯是利用范德华力结合起来的一种层状物质，因此其层间相互作用较弱，用透明胶带按上去反复对折撕扯，层数显然越来越少。

“若是运气好，可能会撕出单层的石墨片，这在学术上就被称为石墨烯，简单计算可知，1mm厚的石墨大约含有300万层的石墨烯，因此可以想象石墨烯是一种非常非常薄的材料。”

2004年10月22日，科学家安德烈·海姆与康斯坦丁·诺沃肖洛夫在美国科学杂志上发了第一篇石墨烯热点文章，短短6年后的2010年10月，荣获诺贝尔物理学奖，可见石墨烯材料的神奇，也不难理解这种材料能在短期内引起人们的广泛关注和研究热潮。

刘忠范院士回忆起自己30多年前在日本东京大学留学的经历。“我经常用透明胶带撕石墨，因为石墨表面有灰尘和吸附物，用胶带撕掉表层就会露出新鲜的表面，但很可惜我没有接着撕下去，错失了发现石墨烯的机会。”

在刘忠范院士看来，从多个角度、多种思维去做研究尤为重要。“从某种意义上说，从0到1的原创性基础研究突破，常常是无心插柳的结果，源于科学家们的强烈好奇心和求知欲，很难进行‘规划’和重点‘攻关’，这也是基础研究的一个基本特征。”

当前，石墨烯正逐渐走进人类生活，续写到碳材料家族新的辉煌，在电子信息、光通信、新能源、生物医药、节能环保、航空航天、国防军工等广阔领域，都拥有着极为诱人的应用前景。

一是石墨烯可以助力新能源汽车充电更快、跑得更远。锂离子电池的正极材料导电性一般较差，目前的主流做法是利用碳黑做导电添加剂，但对于电池来说，这种非活性的导电添加剂添加得越多，其能量密度就会降低越多。利用高性能石墨烯导电剂代替碳黑，理论上可以显著降低这种非活性添加剂，从而提高能量密度，并显著提升电池的快充性能。

二是石墨烯在大健康、电热领域拥有着极为广阔的应用前景。利用石墨烯的红外辐射性能，石墨烯可以用于制作电加热服、电热毯、眼罩、红外理疗、地暖、墙暖等。

三是在重防腐涂料领域中，石墨烯拥有开发潜力。例如化工厂和海洋环境中，腐蚀问题非常严重，通常大量使用防腐涂料。超薄氧化石墨烯微片比传统玻璃鳞片可提供更好的物理屏蔽，延缓腐蚀介质的渗透。

四是在传感器领域，石墨烯大有可为。石墨烯是单层的石墨片，原子都裸露在表面上，因此可非常敏锐地感知周围环境的变化，并通过电信号检测出来，所以石墨烯是理想的超高灵敏度传感材料。

五是在可穿戴技术上，石墨烯也有着广阔的应用前景。其超薄性、柔性和多功能性，使其成为可穿戴技术和健康监测应用的理想选择。

此外，石墨烯的另一个潜在应用市场是触摸屏。人们一直期待开发新材料来替代高成本的ITO导电玻璃，石墨烯就具有成为这种替代品的可能性，但目前还有很多挑战性的技术问题有待解决。

而在新一代超快光通信、航空航天、国防军工等领域，石墨烯也有着广阔的前景。但理想与现实之间还存在巨大的鸿沟，需要克服诸多技术挑战，包括成本问题、质量问题等。

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寻找石墨烯的“杀手锏”级应用

一种新材料和新技术，从问世到产业化，一般包括技术萌芽期、期望顶峰、泡沫谷底、爬坡期和稳定应用期几个不同的阶段。

石墨烯新材料产业的起点可以上溯到2004年，只有18年左右的历史。“目前石墨烯产业已经度过了炒作高峰期，市场正趋于冷静，我还不认为它达到了泡沫谷底，未来还需要耐心、坚持和远见。”

刘忠范院士介绍道，2010年至今，石墨烯的应用以粉体材料为主，用作电热产品、导电添加剂、防腐涂料等。未来10年值得期待的是一维石墨烯纤维材料，有望用作散热膜、功能纤维、结构增强纤维，甚至超级导线等。

再过10年左右，或许是石墨烯薄膜材料的天下。水氧阻隔膜、分离膜、缓冲层、透明电极、触控屏、射频器件、光通信器件等，将逐渐从实验室走向产业化。从材料的形态上讲，粉体材料到纤维材料，再到薄膜和晶圆材料，或许是石墨烯材料的发展历程。

但目前的石墨烯新材料产业，还面临着一系列的技术挑战。

一是低成本的规模化制备的技术，二是低成本的批量剥离转移技术，三是单层基元材料到实用宏观材料的过渡和性能传递方法，四是复合基体材料中的分散技术，五是要找到石墨烯材料的不可替代的“杀手锏”级应用。

在演讲中，刘忠范院士着重强调了石墨烯的“杀手锏”级应用探索。“到现在还没有找到石墨烯独到的、无法替代的用途，若只做‘万金油’式的添加剂和‘工业味精’，这个产业是不会走太远的。”

对于石墨烯来说，推动传统产业的升级换代，或者创造全新的产业，才是它的价值所在。

例如，刘忠范院士团队发明的新一代变革性的光纤技术——烯碳光纤，将光纤与石墨烯结合起来，直接在石英光纤上生长一层石墨烯，用石墨烯来控制光信号的传输，可制作全新的电光调制器、超快光纤激光器和光纤探测器等。

发展石墨烯产业绝非是一朝一夕的事情，需要国家意志、产学研协同创新和长期不懈的努力。

当前石墨烯产业的发展处于关键时间节点上，刘忠范院士提醒道，不能只关注石墨烯产业的现在，否则会丢掉石墨烯产业的未来；也不能只关注石墨烯产业的未来，否则很难走到未来。

“中国的石墨烯新材料研发需要像东丽公司那样的担当者；中国的石墨烯产业也需要真正的‘工匠精神’和‘匠人’，把材料做到极致，填补从理想到现实的巨大鸿沟。”

在刘忠范院士看来，当年的碳纤维只能做钓鱼竿，历经半个世纪，碳纤维已成为航空航天和国防军工领域的“杀手锏”级材料，东丽公司的努力和坚持体现了新材料研发的工匠精神。

“今天的石墨烯不等同于未来的石墨烯，它尚无法支撑起石墨烯产业的‘大厦’，石墨烯的产业化道路还很长，需要的是产学研界的耐心和坚持。”

问答环节：

Q1：3D石墨烯和普通石墨烯在性能和用途上有什么区别？可用PVD的方式制备3D石墨烯吗？

刘忠范院士：3D石墨烯也叫三维石墨烯，是一种类似海绵状的石墨烯。理论上这个说法是不严格的，因为石墨烯是二维材料，这种称谓会带来概念上的混乱。

我们曾经用硅藻土做石墨烯高温生长的衬底。这种硅藻土拥有很多微纳米尺寸的小孔，石墨烯沿着这些孔道生长后，除掉硅藻土衬底，就形成了三维网络状的石墨烯材料。

看起来它是粉体，但其实它像一个个的海绵球，比表面积很大，可以作为吸附剂、导电剂使用。

PVD是物理沉积方法，而CVD是化学沉积方法。三维石墨烯其实是由二维石墨烯形成的网络状结构材料。如果找到合适的网络结构模板，把石墨烯粉体沉积进去，或许也可以做出来3D石墨烯材料，关键看具体工艺是什么。

Q2：石墨烯可以用生物质制备吗，生物质石墨烯的产业化和应用潜力如何？

刘忠范院士：这个问题很有意思。实际上多年前就有人提出来生物质石墨烯的概念。石墨烯是碳材料，理论上只要含有碳元素，经过条件足够苛刻的高温处理，都可以实现碳化、石墨化。如果能够控制非常薄的话，当然可以制备出石墨烯来。

最后制备出的石墨烯的差异在于质量问题。还有就是高温处理做出来的，通常是很厚的石墨，不会是石墨烯。当然，特殊条件下不排除做出石墨烯的可能性。从学术上讲，生物质石墨烯这个说法并不太严谨。

Q3：您的团队制备的石墨烯薄膜材料的导电性如何，是否可以作为压力传感器？成本如何？

刘忠范院士：对于石墨烯薄膜材料的导电性，有两个常用的参数。一个是面电阻，对于单层石墨烯来说，面电阻还得看把它放到什么衬底上测量。如果放到氧化硅/硅衬底上，单层石墨烯可以做到300欧以下，掺杂之后可以做到100欧以下。如果把它放到塑料薄膜上，面电阻一般在1000欧左右。

还有一个是迁移率， 4英寸的单晶晶圆，室温迁移率可以做到1万以上，超洁净石墨烯甚至高达5万以上。

石墨烯薄膜材料和单晶晶圆材料，我们能提供的是最好的，拥有最高的实测导电性。

Q4：您提到2018年先进材料期刊上的全球石墨烯产品中石墨烯含量大多数不足10%，全都不足50%。请问BGI产品怎样？

刘忠范院士：这个指的是粉体材料，严格意义上是单层石墨烯的概念。

我的BGI团队在粉体石墨烯方面做的很少，重点是薄膜和纤维。

Q5：如何看待石墨烯芯片？可行性如何？

刘忠范院士：首先怎么定义芯片？如果说用石墨烯去做集成电路芯片，应该是比较遥远的。

石墨烯材料跟硅材料不同，硅材料拥有1.1电子伏特的带隙，而石墨烯的带隙为零。没有带隙意味着无法开关，因此不能直接用石墨烯材料制造集成电路的基本结构单元晶体管。

过去十几年的时间，人们尝试打开石墨烯的带隙。我本人也做过类似的基础研究，用化学修饰的方法，但只能打开几十毫电子伏特的带隙，没有实用价值。从这个意义上讲，用石墨烯做逻辑电路，暂时还不现实，也没有更好的思路。

但是，发展全新的器件原理，或许石墨烯可以派上大用场。这方面我是外行，不敢妄言。