北京市石墨烯技術研發、產業發展舉措

北京市石墨烯技術研發、產業發展舉措

“北京市在支持石墨烯技術和產業發展上確實做了很多扎實的工作，我們也是受益者。”清華大學化學工程系教授魏飛說。



魏飛說，他的團隊承擔的石墨烯科技創新專項計劃相關課題剛剛結題。“在這一項目的資助下，我們在三維介孔石墨烯材料的基礎研究和產業化方向上都更進一步。”



在世界主要國家把發展石墨烯相關產業上升到國家戰略高度時，我國的石墨烯研究也如火如荼，眾多科研機構和企業致力于石墨烯的相關研究和開發，很多地區都投入巨大力量和資金對石墨烯產業化進行攻關。



確如魏飛所說，北京市高度重視以石墨烯為代表的前沿新材料的研發和產業化，將其作為建設全國科技創新中心的重要舉措之一。幾年來，在科學的頂層設計及完善的部署下，北京石墨烯研發及產業化取得了長足進展。



具備厚積薄發的先天優勢



石墨烯是當今世界最受矚目的材料之一。



它又被稱為“黑金”“新材料之王”，被譽為改變21世紀的“神奇材料”。雖然只有一個碳原子那么厚，但石墨烯的強度卻是鋼的100倍，而且靈活度非常高。由于其具有最薄、最大比表面積、最硬、最抗拉等諸多史上最強性質和高導電導熱、生物兼容性、類催化劑等獨特性質，在眾多領域都可以得到應用，自從2004年英國曼徹斯特大學安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫成功從石墨上剝離石墨烯，并于2010年獲得諾貝爾物理學獎，石墨烯用了短短數年的時間便完成了從登上歷史舞臺到走進公眾視線的過程。近年來，涉及石墨烯的專利清單每年都在呈指數增長。石墨烯所帶來的技術革命，正在一點點改變著這個世界。

北京市石墨烯技術研發、產業發展舉措

我國石墨烯及相關產業在國家政策的引導下發展迅速。“十二五”期間，石墨烯等新材料產業已被作為重要的戰略性新興產業。我國陸續為石墨烯相關項目給予政策支持、資金扶助，并通過產業聯盟等組織，助力石墨烯在技術路線、標準戰略、專利布局、國際合作等方面加速發展。“十三五”規劃中更是加大對于石墨烯等新材料的政策支持與投入，各地方政府也紛紛出臺配套政策與措施，推進石墨烯研發與產業化進程。



在這一背景下，北京更是當仁不讓，厚積薄發。“北京集聚了全國一半以上的科技研發力量，正在加快推進全國科技創新中心建設，未來將在科技創新方面引領全國、服務全國。對于石墨烯產業來說，北京作為研發高地，是產業的發動機、驅動器，這也是北京的特色和優勢所在。”北京石墨烯研究院院長、北京大學教授、中國科學院院士劉忠范在接受媒體采訪時表示。



確實，北京具有得天獨厚的優勢。這里匯集了諸如清華大學、北京大學、北京石墨烯研究院、中國航空發動機集團公司北京航空材料研究院、國家納米科學中心、北京理工大學、北京航空航天大學、北京化工大學等一批進行石墨烯研究的科研院所，其院所數量及研究人員數量占全國半數以上。在這些院校中，全球高被引論文發表數量前10名的機構北京占據4席。



此外，北京擁有10家石墨烯領域重點實驗室和工程技術中心，在低成本高質量石墨烯批量制備、石墨烯復合材料、透明導電薄膜及超級電容器制備等領域研發實力和技術水平國內領先，單晶石墨烯薄膜制備、石墨烯玻璃、石墨烯海水淡化膜等技術國際領先。強大的技術攻關能力為北京石墨烯發展提供了厚實的技術儲備和未來探索潛能。



更重要的是，北京聚集了包括北京大學劉忠范院士、俞大鵬院士，中科院化學所李玉良院士、劉云圻院士等10余個院士團隊，以及各大高校、科研院所30余個一線優勢團隊共同開展石墨烯技術研發。



同時，北京在海淀、懷柔、大興、豐臺等區擁有完整的企業孵化服務體系，有利于推進成果轉化，將實驗室中的技術擴大應用，孵育出一批活躍的創業企業。



下好創新“先手棋”



2010年以來，北京市科委持續布局石墨烯材料及其應用技術研究，重點支持了高品質石墨烯薄膜材料制備、石墨烯光/電子器件開發、三維石墨烯及應用研究等方向，取得了階段性優勢成果。



2016年9月，國務院印發《北京加強全國科技創新中心建設總體方案》（以下簡稱《總體方案》），明確了北京加強全國科技創新中心建設的總體思路、發展目標、重點任務和保障措施。《總體方案》指出，要重點突破石墨烯材料等一批關鍵共性技術，引領支撐首都“高精尖”經濟發展。在這一背景下，2017年的《北京市政府工作報告》中提出，作為北京全國科技創新中心建設戰略的組成部分，要布局石墨烯等基礎前沿研究。

北京市石墨烯技術研發、產業發展舉措

“按照建設全國科技創新中心建設的總體要求，結合北京豐富的科技資源，北京市科委近年來對包括材料、器件、裝備、應用等石墨烯全產業鏈各個環節進行綜合布局。”北京市科委黨組成員、副主任張光連表示。



北京市啟動了石墨烯科技創新專項計劃。該專項撥出專門經費持續支持石墨烯技術重大原創性突破與高端應用，兼顧基礎前沿與產業技術創新并行，力爭在石墨烯材料制備及應用等領域取得重大突破，搶占全球石墨烯科技制高點，形成一批具有自主知識產權的核心技術。



專項啟動同時，北京市科委成立了石墨烯科技創新專項專家委員會。專家委員會包括北京大學劉忠范院士、北京航空材料研究院戴圣龍院長、清華大學魏飛教授、國家納米中心趙宇亮院士等權威專家與企業代表，為北京未來10年石墨烯的創新發展出謀劃策，并促成北京石墨烯產業的政產學研相結合。依托專家委員會，北京編制了石墨烯產業技術路線圖，形成凝聚行業共識的產業發展路線。



北京石墨烯研究院的成立是北京市推動石墨烯產業發展的重大舉措。該院是在北京市政府支持下，由北京大學與中國建材集團、中國寶安集團等行業龍頭企業聯合發起成立的，專注于石墨烯產業核心技術研發、企業研發代工服務和科技成果孵化轉化的新型研發機構。同時成立的北京石墨烯技術研究院有限公司則成為研究院成果轉化與產業化推進載體。



北京石墨烯研究院實行理事會領導下的院長負責制。首任院長由國際著名納米碳材料專家、北京大學劉忠范院士擔任，并邀請諾貝爾獎獲得者、曼徹斯特大學康斯坦丁·諾沃肖洛夫教授擔任名譽院長。



北京石墨烯研究院的定位是，引領石墨烯產業的核心技術策源地、高科技產業創新機制與創新文化示范區、全球石墨烯高端人才匯聚地、石墨烯產業資源協同聚集體及創新創業高地。成立之初，該院就對標全球最高水平，致力于打造全球領先的石墨烯產業創新中心。“北京石墨烯研究院的發展理念是，對接產業發展和國家重大需求，融通政產學研，踐行工匠精神，布局石墨烯產業核心關鍵技術，推進研發代工產學研合作新模式，培植一批石墨烯殺手锏級應用，孵化一批石墨烯高科技企業群，培育千億級石墨烯產業集群，打造我國石墨烯產業核心競爭力。”張光連介紹道。



位于中關村翠湖科技園智谷中心的北京石墨烯研究院，一期建設面積1萬平方米，人員規模500人，十年規劃總投資20億元人民幣。該院已經形成以研究人員、博士后、工程技術人員等為基礎的160多人的研發團隊，并計劃今年年底達到200人規模。



目前，北京石墨烯研究院已搭建形成“面向未來的核心技術研發平臺+對接市場需求的企業研發代工平臺”為核心的組織架構。同時已完成1萬平方米大樓裝修和實驗室建設;成立了標號石墨烯材料研究部、超級石墨烯玻璃研究部、石墨烯粉體技術研究部、石墨烯器件技術研究部、前沿與特種技術研究部5個核心研發部門和石墨烯質量檢測中心、石墨烯裝備研發中心兩個支撐平臺；設立多個石墨烯研發代工中心，并成立了為石墨烯領域中小企業和團隊提供創業服務的“BGI眾創空間”。



北京石墨烯研究院已形成石墨烯超級玻璃、超潔凈石墨烯薄膜、石墨烯單晶晶圓、石墨烯LED照明、烯碳光纖、石墨烯柔性透明天線等近百項國際領先的科研成果，在石墨烯領域產生了重要的國際影響力，為把北京打造成為國際石墨烯創新策源地奠定了堅實基礎。



“北京石墨烯研究院和北京石墨烯技術研究院這兩家研發平臺加在一起，是少有的實力很強的高‘配置’。從這個角度來說，北京作為石墨烯研發高地的說法當之無愧。”劉忠范認為。

北京市石墨烯技術研發、產業發展舉措

未來10年，北京石墨烯研究院將圍繞高性能石墨烯材料、石墨烯制備與檢測裝備等石墨烯領域關鍵共性技術，石墨烯電子和光電器件、石墨烯光纖等前沿技術，以及超級石墨烯玻璃、石墨烯基LED照明、石墨烯烯鋁集流體等石墨烯優勢特色技術進行全面布局，力爭早日成為石墨烯產業核心技術策源地和石墨烯高端產業引領極。



基礎研究碩果累累



通過一系列的布局和規劃，北京在石墨烯領域碩果累累。數據顯示，2014—2018年，北京地區石墨烯領域高被引論文發表數量300余篇，超過全球總量的1/10。北京在石墨烯電子/光電器件開發、官能化石墨烯可控制備技術、三維石墨烯制備及應用技術、石墨烯復合材料制備與應用技術等領域技術水平國內領先，高品質大尺寸單晶石墨烯生長技術、石墨烯能帶調控技術、石墨烯功能化改性技術等方面處于國際領先。



其中，北京石墨烯研究院彭海琳團隊、北京大學劉開輝團隊等在高品質石墨烯生長技術取得進展，開發出4英寸石墨烯單晶晶圓生長技術、超潔凈高品質石墨烯薄膜生長技術、內外表面全覆蓋石墨烯光纖生長及調控技術，是目前石墨烯生長技術世界最高水平。



近日，彭海琳、劉忠范團隊在石墨烯單晶晶圓的規模化制備和裝備研發取得重要進展，制備了4英寸CuNi（111）銅鎳合金單晶薄膜，并以其為生長基底實現了4英寸石墨烯單晶晶圓的超快速制備，并實現了單批次25片4英寸石墨烯單晶晶圓的制備，設備年產能可達1萬片，在世界范圍內率先實現了石墨烯單晶晶圓的可規模化制備。



北京理工大學曲良體團隊基于自主研發的超輕超彈石墨烯宏觀體，開發出石墨烯濕度梯度發電器件、石墨烯柱陣列光電凈水等前沿應用，在石墨烯應用領域具有指導意義。



中科院半導體所譚平恒團隊在石墨烯光學表征檢測技術取得進展，可以快速準確地鑒別CVD生長的多層石墨烯的層數、轉角和堆垛方式，并編寫了相關檢測標準草案提交至全國納米技術標準化技術委員會。該項成果對基礎研究、器件性能提高，以及搶占石墨烯標準話語權具有前瞻意義。



北京科技大學團隊開發出石墨烯復合吸波涂層，在滿足軍用吸波/電磁屏蔽性能需求的同時實現減重50%，北京工業大學開發的航天航空用石墨烯增強鎂基復合材料等為石墨烯材料在國防軍工領域的應用拓展了方向。



“目前來看，北京石墨烯整體研發水平處于國內領先地位，綜合實力全國首屈一指，單位地區生產總值（GDP）產出的專利申請量位列全國第一，一些領域實現國際‘領跑’，強大的技術攻關能力為北京石墨烯發展提供了厚實的技術儲備和未來探索潛能。”張光連表示。



產業化持續推進



與此同時，北京的石墨烯產業發展也持續推進，初步形成了以產促研、軍民融合的科技成果轉化機制，科技成果轉化已初見成效，涌現出一批創新型企業。



以彭海琳團隊、北京大學劉開輝研發成果為基礎，北京石墨烯研究院、清華大學等單位開發了一系列高品質石墨烯材料批量制備技術，包括年產能3萬平方米高品質石墨烯薄膜連續制備技術、年產能1萬片4英寸石墨烯單晶晶圓批量生長技術、年產能2萬平方米石墨烯玻璃低溫批量制備技術、噸級高比表面積高純石墨烯粉體綠色生產技術、超輕高彈石墨烯三維宏觀體批量制備技術等，并根據原創技術開發出了相應的中試設備與制備工藝包。



北京化工大學張立群團隊研發高強、導靜電石墨烯復合橡膠產品，已與山東玲瓏輪胎股份有限公司開展合作，成立北京天誠玲瓏輪胎有限公司，將石墨烯復合橡膠產品應用于高強、高耐磨、導靜電輪胎開發。



國家納米中心智林杰課題組以氣—液混相插層法制備高電導率石墨烯材料，應用于鋰電池復合電極，已與內蒙古大豐石墨有限責任公司開展合作，并在豐臺區成立北京大豐瑞墨電池科技有限公司進行成果推廣與轉化。“我們的產品現在初步完成噸級中試，計劃兩三年內進一步擴大規模。”智林杰說，該項目也得益于石墨烯科技創新專項計劃的資助和扶持。



清華大學魏飛團隊開發出具有超高比表面積的三維介孔石墨烯材料，可大幅提高儲能器件中導電漿料電導率，目前已由西藏城投股份出資，在懷柔雁棲開發區成立北京北方國能科技有限公司，致力于該材料的規模制備，已實現5噸/年的中試級產能，已有南車集團、中國航天科工集團等意向客戶。



“目前我們的產能沒問題，但石墨烯的產業化不光是看技術，還要看市場需求及產業基礎。”魏飛認為，總體而言，以石墨烯為代表的新材料的產業化并不像外界認為的那么容易，“越是高端材料，應用起來越復雜。”



魏飛說，目前不少地方和企業嘗試探索石墨烯材料的各種應用，“看起來很熱鬧，但是像石墨烯面膜、鞋墊之類的應用，顯然不是將來的主要方向。所以我覺得北京在這方面做得很好，雖然目前看來，產業化速度可能沒有預想中那么快，但起到一個引導和示范的作用，踏踏實實從基礎研究做起，告訴公眾和產業界，什么樣的技術和方向是主流。”



“石墨烯作為一種新材料，歷史很短，相當一部分的應用還在研發之中，遠談不上成熟。所以，怎么重視研發都不為過。從如何做材料、做好材料以及如何把材料從實驗室變成工程化、規模化的成品，當然也包括怎么用好石墨烯等方方面面都需要研發。”劉忠范則強調，重視研發不僅來自產業本身的需求，也源于北京在整個石墨烯產業鏈上的定位。



打造石墨烯原始創新策源地



“未來，我們將通過推動石墨烯基礎研究、前沿技術、應用技術的全面突破，將北京打造成為石墨烯原始創新策源地、高端人才聚集地、科技服務中心，引領石墨烯產業發展，支撐全國科技創新中心建設。”張光連表示。



他具體介紹說，北京將超前布局搶占國際石墨烯技術制高點。依托北京基礎研發優勢，推動石墨烯高水平創新取得重大突破。發揮在京優勢科研機構的優勢，聚焦大尺寸單晶石墨烯、高質量石墨烯薄膜等高品質石墨烯材料制備技術，開發石墨烯薄膜潔凈無損轉移技術，以應用需求為牽引，突破石墨烯及相關復合材料在電子信息、新能源等領域應用的技術，開展高頻電子器件、光電器件、自旋電子及量子器件等高端器件技術開發；探索石墨烯材料與其他二維材料復合機理研究及新材料開發；開展高品質石墨烯材料制備及規模化生產關鍵裝備研發；完成一批原創性重大技術的突破，形成一批具有國際影響力的重大科技成果，打造國際石墨烯原始創新策源地，搶占國際石墨烯技術制高點。



此外，以北京石墨烯研究院建設為契機，通過體制機制創新，匯聚國內外高端石墨烯研發人才，搭建石墨烯應用技術創新平臺，以市場應用需求為導向，推進高品質石墨烯材料制備與應用技術研究。匯聚全市石墨烯優勢科技資源、依托海淀翠湖與永豐基地開展工程放大研究、建立石墨烯種子企業孵化園，開展央企協同應用探索，在產學研合作模式構建、石墨烯應用示范等方面形成引領全國的“北京模式”，并積極協調有關國家部委，力爭將北京打造為國家石墨烯產業創新中心。



同時，推進石墨烯技術研究與北京市科創基金、下游企業的對接，充分調動社會資本、行業資源等在科研初期介入石墨烯科技創新，建立石墨烯應用開發服務體系，進一步完善北京高精尖產業—新材料產業基地相關配套政策和服務，為承接石墨烯科技成果在北京的落地轉化提供保障，并聯合津冀等相關地區出臺承接石墨烯京外協同創新中心的支持政策，帶動全國石墨烯技術與產業協同發展，參與全球競爭。

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