石墨烯：黃金應用時代來了？

　　當人工智能芯片的算力提升遭遇散熱瓶頸，當新能源電池的續航能力尋求突破，當腦接口技術需要更優生物相容性材料，全球產業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，經歷多年產業化應用探索后，正以其卓越的電學、熱學和力學性能，真正迎來黃金應用時代的曙光。

　　因需定制，產業化應用空間廣闊

　　過去，石墨烯被認為是一種只存在于理論中的材料。科學家們普遍認為，室溫下碳原子的強烈熱振動會導致單層碳原子無法穩定存在，最終分解成微小的球狀結構。然而，2004年，英國物理學家安德烈·蓋姆和他的學生康斯坦丁·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年諾貝爾物理學獎，更開啟了二維材料的新大門。

　　石墨烯發現者之一康斯坦丁·諾沃肖洛夫表示：“石墨烯已應用于電池、電子產品、熱管理等多個領域，并在碳捕集、氫能等方面實現突破。我認為，未來可能會有更多的諾貝爾獎出現在石墨烯領域。”

　　石墨烯并非單一材料，而是一個“材料家族”。正如浙江大學教授、杭州高烯科技創始人高超所言：“不同形態、分子結構、缺陷的石墨烯表現出來不同的性能，這為其產業化提供了廣闊空間。”無論是通過化學氣相沉積（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，每種形態都能在特定應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不同產業需求進行適配，為其規模化產業化應用奠定了基礎。

　　邁向務實，從“工業味精”向“維生素”轉變

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

　　中國石墨烯產業技術創新戰略聯盟理事長李義春將石墨烯產業發展劃分為三個階段：2013年至2015年為產業“投資熱”時期；2015年至2018年為投資相對理性的調整期；2018年華為手機中采用石墨烯散熱技術，產業進入了注重實際應用價值、解決國家重大需求的高質量發展階段。他認為，石墨烯在產業鏈中的角色正從“工業味精”向“維生素”轉變，其應用價值正不斷深化。

　　這一演進過程在全球范圍內同樣得到印證。“石墨烯行業經歷了從熱情高漲到理性回歸的過程，如今有實力的企業正快速推進行業發展和產業化進程。”康斯坦丁·諾沃肖洛夫指出，幾年前石墨烯的應用還大多停留在電池復合材料、熱管理等概念階段，而現在，光電子應用、調制器、光電探測器等高科技產品正逐步走向市場，產業發展態勢越來越健康。

　　在實際應用層面，石墨烯已實現從概念到務實的跨越。在新能源領域，其作為導電添加劑提升了鋰電池性能，并實現規模化商用；在氫能領域，石墨烯氣凝膠儲氫罐的商業化應用成本顯著降低；在電子化學品領域，石墨烯熱界面材料為AI算力提升筑牢熱管理屏障；在生物醫療領域，全球首例石墨烯腦機接口臨床植入手術已成功實施。

　　協同創新，構建良性循環生態體系

　　產業的健康發展離不開良性生態的支撐。我國石墨烯產業已形成從國家戰略到地方政策的完善支持體系。據全國工商聯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用技術的不斷成熟，其在新能源領域已形成了技術突破、場景落地、規模擴張的良性循環。

　　然而，產業面臨制備成本高、標準化程度低、下游應用拓展難等問題，破解難題的關鍵在于“協同創新”。

　　劉忠范認為，石墨烯產業的發展絕非單打獨斗可以成功，迫切需要構建產學研用協同創新的生態體系，這要求科學家、工程師和企業家們“同乘一條船，共擔一份責”，同時需要政府與市場協調配合，營造可靠的創新創業環境。

　　高超強調：“在石墨烯從實驗室走向市場的過程中，產學研協同能夠加速創新技術向產業轉化。未來需要不斷創新產學研機制，讓科研人員不僅是研發主體，更能成為產業化的主體，推動更多全新應用場景落地。”

　　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動，企業更關注市場驅動，可以通過與高校、科研院所成立聯合研發中心等形式，將一線市場需求與高校研發資源結合，共同推進技術創新以及產品創新。同時，創新成果也可以在企業內部進行孵化，助力產業化應用。

　　質量引領，布局未來產業新賽道

　　李義春預言，未來十年，石墨烯將進入黃金應用時代。他進一步闡釋，隨著硅基技術接近其物理極限，碳基材料特別是石墨烯等二維材料，有望成為引領下一代信息技術變革的關鍵。

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

　　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，在散熱領域，隨著AI算力需求爆發，芯片散熱成為關鍵瓶頸，石墨烯散熱技術已成為英偉達、華為等巨頭的選擇，未來十年將形成千億級市場。其二，碳基芯片技術已初見雛形。2024年，中國和美國科研人員聯合研制出世界上第一個由石墨烯材料制成的功能半導體，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研發方面處于全球領先，該材料有望替代現有高端復合材料（如碳纖維）。

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

　　“石墨烯產業發展需國際協同合作、優勢互補。對于企業尤其是中小企業來說，只有具備相應的產業化以及生產制造能力，才能實現商業和市場的可持續發展。”歐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業煥新的關鍵抓手，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模化應用，我國石墨烯產業將加速從規模領先向質量引領轉型。（李思涵）

　　轉自：中國化工報

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