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

石墨烯：如何實現(xiàn)科研與商用并駕齊驅(qū)？

作為目前已知的世界上最薄、最堅硬、導(dǎo)電性最好的材料，石墨烯自問世以來就受到業(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、超級電容器、電子顯示器件等領(lǐng)域帶來革命性變化。

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

專利申請領(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。中國科學(xué)院文獻(xiàn)情報中心和美國化學(xué)文摘社近日發(fā)布的《石墨烯研發(fā)態(tài)勢監(jiān)測分析報告》顯示，截止到2016年4月5日，全球共有石墨烯相關(guān)論文7.8756萬篇，相關(guān)專利申請2.3057萬件。

“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利申請主要集中在2014年至2016年。”中國科學(xué)院文獻(xiàn)情報中心副主任劉細(xì)文介紹，從地域分布看，全球該領(lǐng)域?qū)＠暾埩颗琶拔逦坏膰覟橹袊㈨n國、美國、日本和德國，這五國的專利申請總量占全球該領(lǐng)域?qū)＠暾埩康?0%以上。

不過，在這五國中，美國和日本自上世紀(jì)90年代就開始提交石墨烯專利申請，明顯早于中國和韓國。中國自2007年進(jìn)入石墨烯領(lǐng)域后，相關(guān)專利申請急劇增多，2010年后更是爆發(fā)式增長，該領(lǐng)域?qū)＠暾堈既蛟擃I(lǐng)域?qū)＠暾埧偭康?9.06%，美國和韓國的這一占比則分別為11.17%和15.43%。

“目前，盡管我國石墨烯專利申請量已領(lǐng)跑全球，但海外專利布局較弱。”劉細(xì)文介紹，石墨烯專利申請主要流向美國和中國，中國在韓、日、美、德僅有2.3%的石墨烯專利申請，而韓、美、日、德在其他四個主要專利申請來源國分別有27.8%、24.8%、32.3%和45.3%的石墨烯專利申請。

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

產(chǎn)業(yè)應(yīng)用仍待加強(qiáng)

經(jīng)過十多年的快速發(fā)展，目前，中美韓日等主要石墨烯技術(shù)原創(chuàng)國已積聚了大量的專利儲備，逐漸形成了技術(shù)優(yōu)勢和相對穩(wěn)定的競爭格局，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。

“對于公眾來說，體現(xiàn)石墨烯價值最直觀的是終端產(chǎn)品，但是，從石墨烯原材料到石墨烯終端產(chǎn)品，還有很長的路要走。”國家納米科學(xué)中心研究員智林杰告訴本報記者，石墨烯能否實現(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，三是知識產(chǎn)權(quán)，四是終端產(chǎn)品。這些問題不一一解決，石墨烯的大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化就難以實現(xiàn)。

記者在采訪中了解到，目前，石墨烯的一個重要產(chǎn)業(yè)路線是從石墨到石墨烯再到終端產(chǎn)品，這中間會涉及許多方面的技術(shù)，包括石墨原材料的開采、純化、深加工等，而我國這些方面的技術(shù)都還比較薄弱。比如，我國石墨儲量和石墨開采量均是世界第一，但是我國采浮選技術(shù)落后，污染重、能耗高，幾乎沒有高質(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)品對原材料要求很高，我國很多機(jī)構(gòu)不得不把石墨粗粉運到國外進(jìn)行提煉、純化，然后再運回國使用，導(dǎo)致嚴(yán)重的資源浪費和經(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)模化生產(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，知識產(chǎn)權(quán)問題也還需要引起關(guān)注。我國石墨烯專利申請數(shù)量不少，但主要布局在國內(nèi)，國外專利申請很少，這說明我國石墨烯相關(guān)技術(shù)的國際影響力還不夠。未來石墨烯競爭將是全球化競爭，海外專利布局不足會對產(chǎn)業(yè)發(fā)展帶來很大影響。”智林杰表示。

多點突破促進(jìn)發(fā)展

由于具有廣闊的前景，目前，世界各國都在加緊布局石墨烯產(chǎn)業(yè)。我國不僅在國家層面部署了石墨烯研發(fā)計劃和研發(fā)項目，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)《〈中國制造2025〉重點領(lǐng)域技術(shù)路線圖》的規(guī)劃，我國石墨烯發(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。

記者在采訪中了解到，近年來，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)控以及多級次多功能組裝與集成，提出了越來越高的要求。“我國石墨烯技術(shù)研發(fā)力量主要集中在科研機(jī)構(gòu)，未來，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，合作攻關(guān)技術(shù)難點，并推動產(chǎn)業(yè)化，以實現(xiàn)科研與商用的并駕齊驅(qū)。”劉細(xì)文表示。

在劉細(xì)文看來，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。“主要是在制備方法和工藝上進(jìn)行新的突破，未來制備工藝將呈現(xiàn)出多元化發(fā)展趨勢，對制備方法和技術(shù)進(jìn)行研發(fā)、改進(jìn)和優(yōu)化將成為研發(fā)熱點。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)也將是重點研究方向。”劉細(xì)文表示。

在加快研發(fā)的同時，提升專利質(zhì)量、加強(qiáng)海外專利布局也是關(guān)鍵。“目前，我國高質(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)專利和核心專利比較缺乏，而這些專利正是屬于石墨烯產(chǎn)業(yè)鏈上游的技術(shù)。誰擁有這些專利，誰將擁有更多話語權(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)品開發(fā)到下游應(yīng)用的石墨烯全產(chǎn)業(yè)鏈，才可能推動石墨烯更快地走向產(chǎn)業(yè)化。”智林杰表示。