一、石墨烯的應用現狀

　　石墨烯是一種具有優異力學、熱學和電學性能的新型碳材料。石墨烯材料的研發涉及國家高新技術材料的產業基礎，產業關聯涉及新材料、能源、環境、航空航天、國防等領域，對國家的發展起著重要作用，因此，各國政府積極支持石墨烯研發：歐洲聯盟2013年啟動投資10億歐元的石墨烯旗艦計劃;韓國和英國分別投入3.5億美元、5 000萬英鎊進行商業化計劃;中國在《新材料產業“十二五”發展規化》中，將石墨烯作為優先發展的前沿新材料之一。

　　石墨烯原材料的規模化制備是構筑石墨烯產業鏈的基礎，對開發下游產品有著根本性的作用，對石墨烯的產業化發展起著承上啟下的作用。石墨烯行業近幾年呈井噴式發展態勢，企業和產品已經如雨后春筍般大量出現。其中涉足石墨烯下游應用的企業逐漸增多，包括電子領域的高性能芯片、LED、柔性顯示屏;能源領域的靜電噴漆系統、高性能電池、超級電容器、太陽能電池;航空航天、海洋領域的防護涂料、復合材料、電磁屏蔽材料、隱型材料;環境領域的污水處理、海水淡化、大氣污染治理;高強度橡膠、塑料，醫藥領域的藥物輸送、臨床檢測等。

　　自2010年石墨烯發現者獲得諾貝爾物理學獎后已有4年時間，石墨烯規模化制備的技術瓶頸已逐漸突破，限制石墨烯行業發展的不再是石墨烯的規模性制備，而是如何讓制備的石墨烯滿足不同應用領域的需求，如何使石墨烯的高性能如高導電性、高導熱性、高透光性在應用領域充分發揮。這是目前從事石墨烯材料的研究機構和企業共同面臨一個關鍵性技術問題，同時也是石墨烯行業未來2～3年內需要突破的關鍵性瓶頸。

　　目前，國內各石墨烯相關企業紛紛在自身技術優勢的基礎上，開展石墨烯的下游應用，涉及的領域主要集中在鋰電池、超級電容器、柔性顯示屏、防護涂料、污水處理等幾個方面。在這些應用領域中，水污染處理、功能性涂料、鋰離子電池3方面的研究最多，也是目前石墨烯應用中較為成熟的領域。

　　1、水污染處理

　　相關數據顯示，中國 600 多個城市都不同程度面臨著水源地突發污染事件的威脅，存在水源地安全隱患。近期不斷發生的重金屬污染突發事件，如 2005 年珠江支流北江鎘污染事故、2006 年湖南岳陽砷污染事件、2010 年福建紫金礦業重大污染事件、2011年匈牙利鋁廠毒泥漿對多瑙河的污染、2012 年廣西河池市鎘污染事件，對應對突發性環境污染事件，有效徹底防治重金屬對環境的污染提出了更高的標準。

　　2012 年初，石墨烯材料諾貝爾獎得主Geim教授研究發現氧化石墨烯薄膜可屏蔽除水之外所有其他分子，由此發現石墨烯可望用于制備過濾器材料，從而在海水凈化、污水處理等方面有極大應用前景。2013 年初，洛克希德˙馬丁公司投資1 500萬美元開發用于海水淡化的石墨烯技術。石墨烯包覆沙礫可組裝成過濾材料，其對汞的去除能力比其他吸附劑高5倍，石墨烯-磁性鐵納米粒子復合物用于從水中分離砷。因此，石墨烯有望在許多領域取代現有的碳吸附材料，成為 21 世紀最優秀的環境材料之一，在工業廢水的治理、地表(飲用)水凈化、貴金屬冶煉與回收等方面得到廣泛應用。

　　濟寧利特納米技術有限責任公司(以下簡稱“濟寧利特納米”)開發的水污染治理中處理重金屬的產品具有以下3方面的優勢。

　　①性能優勢：對鉛的吸附容量可達 1080 mg/g，是常規碳材料的7倍之多，吸附后重金屬離子濃度可低至ppb級;②再生性能優勢：吸附劑可重復使用50 次以上;③價格優勢:開發的石墨烯吸附劑成本比離子交換纖維價格低，和部分鰲合樹脂相當，但吸附容量是螯合樹脂的2 倍以上。

　　2、石墨烯-功能性涂料

　　涂料是海洋船舶最主要的防腐防污手段，為了提高涂料的防腐性能，可在防腐涂料中加入具有鱗片狀結構的云母粉或具有納米結構的二氧化硅等填料，增強涂層的致密性，降低防腐涂層的滲透性能。但這些結構僅能提供物理防腐，達不到理想的防腐效果。為了提高涂料的防污性能，需在防腐漆中滲入對生物有毒的物質，這些物質會在船舶行駛過程中釋放殺蟲劑，對環境造成一定污染。因此，開發新型兼備防腐和防污效果的防污防腐涂料成為船舶漆發展中一個關鍵性科學技術問題。

　　石墨烯是由單層碳原子緊密堆積成的二維片層結構的新材料，具有優異的導電性能(電阻率為10-6Ω/cm)、高的徑厚比(>200)以及薄的片層結構(<1nm)，應用于防腐涂料中可發揮物理防腐和化學防腐2種優勢，大大提高涂料的防腐性能。同時石墨烯還被證明具有抗菌性能，加入到防腐涂料中提高涂料的防污性能。

　　現在很多科研工作者都開始研究石墨烯在腐蝕方面的應用，一系列的研究成果表明石墨烯在腐蝕防護方面有很大的潛力。研究表明用1%(質量分數)的石墨烯代替50%(質量分數)的鋅粉，可達到富鋅環氧涂料相同的防腐蝕效果，同時還可以提高防腐蝕時間，另外，每噸涂料可以便宜1 000多元。用石墨烯制備的涂料涂覆在金屬銅、鎳表面，相比于裸銅，腐蝕速率減慢7倍，鎳的腐蝕速率慢4倍，充分證明石墨烯在保護金屬腐蝕方面巨大的潛力。同時，石墨烯的抑菌性被2010年美國科學家Akhavan等所報道，隨后有關石墨烯抑菌性的研究便逐步開始。石墨烯與細菌直接接觸時，石墨烯就像納米級無比鋒利的刀片直接通過機械損傷來破壞細菌膜結構;另一方面，由于石墨烯優良的電子傳輸特性使得石墨烯能夠輕易改變細菌膜表面的電位，從而引起膜表面細胞呼吸、電子傳輸，信號傳輸等功能混亂，導致細菌體內生化異常以致死亡。

　　3、石墨烯-鋰離子電池

　　鋰離子電池由于具有輸出電壓高、比能量大、循環壽命長、安全性能優越、無記憶效應等優點，被廣泛應用于便攜式電子產品和通訊工具中，在這些應用中，除要求其具有大的比容量外，大倍率下的充放電性能也是極其重要的技術指標，為保持電池循環過程中良好的大倍率充放電特性和較長的使用壽命，需在電極中加入導電劑，以填補電極材料在嵌入、脫出鋰過程中產生的空隙，保持電極穩定的導電性，但現有技術的導電劑，如導電碳黑或導電石墨，不能從根本上解決正極材料導電性能差的問題。

　　石墨烯作為一種新型的碳質材料，其碳原子最外層電子通過sp2雜化形成大π鍵，存在大量可以自由移動的電子，是一種優良的導電劑，以石墨烯為導電劑添加到鋰離子電池正極材料中，可以在正極材料中形成一個體積電阻率很小的導電網絡，明顯改善正極材料的導電性能，顯著提高電池的充放電效率和循環壽命。

　　二、石墨烯產業狀況

　　1、國內外產業狀況

　　作為世界高技術發展的戰略制高點，石墨烯的產業化發展引起世界各國的高度關注。歐盟于2013年將石墨烯列入“未來新興旗艦技術項目”，在10年內資助10億歐元用于研發;2011年，英國政府在《促進增長的創新與發展戰略》中把石墨烯作為國家今后4個重點發展方向之一，投入5 000萬英鎊支持石墨烯研發和商業化應用研究;韓國政府投入研發費用14億美元，把石墨烯材料及產品定為未來革新產業之一，2013年，韓國產業通商資源部宣布在未來6年內，投入4 230萬美元，幫助企業實現石墨烯的應用產品和相關技術商業化。英國、韓國均把石墨烯作為國家的重點發展方向和未來革新產業，投入大量研發費用。2014年，中國“863”項目指南專門支持石墨烯項目;國家領導人批復發展和改革委員會和國家科技部進行相關的調研，準備出臺相關發展政策。

　　2013年，中國石墨烯產業技術創新戰略聯盟和山東省石墨烯產業技術創新戰略聯盟相繼成立。2011年，江蘇常州市投資5000萬，成立江南石墨烯科技產業園。寧波市2013年拿出9000萬專項基金，用于石墨烯的產業化扶持。青島、濟寧等地的石墨烯產業園、產業聯盟及創新基地紛紛成立，積極推動石墨烯產業鏈的發展。據業界專家預計，中國石墨烯產業規模將達萬億元。

　　各地政府對石墨烯產業發展表現出極大的熱情。寧波市設立了“石墨烯產業化應用開發”專項資金，每年安排3000萬元，3年共9000萬元，用于支持“石墨烯產業化應用開發”實施單位的技術創新、產品研發和試制推廣。無錫市也提供了2億元的資金扶持，并出臺了《無錫石墨烯產業發展規劃綱要》，用以支持石墨烯產業的發展。青島市高新區、濟寧市化工園區也相繼出臺了支持發展石墨烯產業的發展規劃綱要。

　　2014年9月1-3日，在寧波召開的2014中國國際石墨烯創新大會，吸引了國內外眾多高校、科研院所、企業的積極參與，引發又一輪的石墨烯研發應用熱潮。

　　2、山東省產業狀況

　　早在2010年夏，濟寧利特納米在山東省科技廳、濟寧市科技局和濟寧市高新區的大力支持下，結合國外留學人員技術和資源優勢，籌劃發展石墨烯產業化項目，成為國內涉足石墨烯行業最早的單位。2013年，利特納米的氧化石墨烯重金屬治理項目獲得科技部國際合作基金的支持;2013年12月，在山東省科技廳大力支持和幫助下，濟寧利特納米牽頭、聯合山東省內的石墨烯產業化的主要產學研單位以及上下游企業，共同發起成立“山東省石墨烯產業技術創新戰略聯盟”，由山東大學、青島大學、濟寧利特納米、濟南墨希新材料科技有限公司、山東企鵝塑料集團有限公司、濟寧市無界科技有限公司、山東大展納米材料有限公司等大學和企業組成的創新聯盟，通過推進石墨烯生產企業和應用企業的緊密合作，通過產學研結合、創新運營機制、瞄準市場方向，集中力量、抱團發展，尋求石墨烯產業的重點突破，在山東省范圍內形成從石墨烯原材料生產到下游示范應用的完整產業鏈，構建省級石墨烯新材料產業集群。

　　三、發展瓶頸

　　雖然石墨烯材料的上游制備和生產技術取得了較快發展，但石墨烯材料的下游應用技術開發還有系列問題需要解決。

　　1、下游產業發展處于起步階段，急需金融扶持

　　石墨烯下游產業方面基本上以中小企業為主，這些企業有使用石墨烯新材料的需求和熱情，但缺乏足夠的實力。目前，濟寧利特納米生產的石墨烯材料基本都是無償提供其他企業研發使用。每年僅此一項的投入接近60萬～100萬元，目前都是由企業自己貼補。隨著應用研發的不斷深入，石墨烯用量將大幅度增加，這會對石墨烯生產企業的經營狀況造成嚴重影響，進而極大限制了石墨烯在應用領域研發和推廣的速度。在石墨烯的金融扶持方面，寧波市的現有做法值得借鑒。寧波市政府每年拿出3000萬的資金用于補貼企業除員工工資外的工業化研發、設備、材料、分析測試等費用，支持大約6～9家研發單位從事石墨烯下游產品開發，吸引了包括寧波市在內的多家新材料企業。

　　2、大型實驗儀器短缺

　　目前，石墨烯下游應用產品的開發需要購置大型實驗儀器。這些儀器不僅購置和維護的費用昂貴(例如，透射電子顯微鏡的價格在600萬人民幣左右)，操作和管理上也需要有專業人員負責，如果由各個企業和研發機構自行解決，一方面在資金上存在較大困難，另一方面也會造成重復建設和資源浪費。目前，江蘇泰州和常州分別建立了各自的檢測平臺。

　　3、管理人才及科研隊伍建設

　　石墨烯產業的發展亟需納米材料領域高科技人才，很多石墨烯企業處于創業的初期，如何吸引人才、留住人才是石墨烯產業發展的關鍵問題。

　　四、對我國石墨烯未來發展的建議

　　1、加大金融支持力度

　　由于石墨烯行業屬于新型、快速發展的行業，具有技術更新快、生命周期短、技術升級換代頻繁的特點，需要企業準確把握技術發展趨勢，不斷推出新產品和提升服務水平，抓住市場機遇，滿足市場需求，保持自身的競爭力。但技術更新需要大量的研發投入，資金不足往往成為企業面臨的瓶頸，制約服務行業整體的發展。

　　一方面需要企業做好市場調查與預測，做足預算，考慮詳盡;根據項目進度和籌資方式，編制資金使用計劃，以便有效使用資金;加強企業管理、節儉辦事，向管理要效益;爭取國家優惠政策和資金上的支持;爭取銀行貸款;多方籌措資金、廣開財源。

　　另一方面需要政府加大對石墨烯系列產品研發、生產以及應用的扶持力度。積極探索石墨烯系列新產品的政府首購、采購政策，對下游應用企業生產的新產品，符合政府采購需求條件的，優先予以首購或采購，示范帶動全社會使用石墨烯新產品。同時，政府對獲得上級政府部門支持的石墨烯研發項目進行適當比例額的配套支持。

　　2、鼓勵高校院所和石墨烯企業協同創新，高端復合型人才共享

　　石墨烯行業的快速發展，需要不同領域、不同背景的高科技人才的加入。隨著產業建設規模的擴大和新產品、新技術的應用，新材料與電子領域已經完全融合在一起，該產業的發展對于復合型高端人才的需求越來越多，而國內復合型高端人才在現階段不能滿足服務需求，造成復合型高端人才缺乏。在推進石墨烯產業化進程中，企業和高校需轉變思路，加強產學研結合，引進、培養高層次應用型研發人才，特別是引進海內外石墨烯產業鏈上某一學科或技術領域的帶頭人，通過人才引進加速推進石墨烯產業的發展。

　　3、加強對石墨烯系列產品的市場推介

　　整合全鏈條上的企業，通過合作研究、共同開發、產業升級等形式，強化上下游企業的有效合作，提高社會認知度。目前，濟寧利特納米以企業自身優勢為契機，借助創新戰略聯盟、創新基地、工業園區等系列平臺，與電子、新能源領域等多家資深企業形成深度戰略合作伙伴，制定清晰的品牌戰略目標。立足石墨烯行業，以強大的戰略愿景為指導，一步步走向卓越。

　　加快新產品的開發速度，力爭使本產品盡快打入市場，此時市場競爭對手少，有利于迅速占領并擴大市場;提高新產品的市場適應能力，針對市場需求來調整產品結構，增加適銷對路的服務產品;建立一套能夠迅速對市場信息進行反饋的機制，迅速了解供需、價格等市場信息;突出技術創新性，使產品具有良好性價比，增強市場競爭能力;加強宣傳力度，擴展宣傳面，使新產品和服務能盡快讓用戶認知。