陈成猛博士：从发散期过渡到集中期，石墨烯产业化需要做减法

【新材料在线专题】 【文/新材料在线 蔡晓煜】 2004年，英国曼彻斯特大学科学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫成功分离出石墨烯，在材料界引起巨大轰动。2010年，安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫因在石墨烯方面的开创性研究获得诺贝尔物理学奖。自此，石墨烯迎来了井喷之势。如今，关于石墨烯的新闻层出不穷，不断描绘着未来“石墨烯时代”的美好蓝图。

石墨烯究竟是什么？它的研究成果和产业化现状如何？石墨烯将给世界带来什么改变？近日，新材料在线特地采访了多位石墨烯领域的专家学者、以及石墨烯企业家，共同就石墨烯的研究现状和产业化状况进行了探讨。

以下是新材料在线和中科院山西煤炭化学研究所博士陈成猛的访谈实录节选。

【新材料在线】：近几年来，石墨烯在我国吸引了广泛关注，发表的专注论文和所申请的研究专利位居世界前列。那么，目前我国有关石墨烯的学术研究现状如何？取得了哪些突破性的成果？

【陈成猛博士】：我国的石墨烯研究始于2006年左右，但真正引起社会各界、尤其是产业界关注，则是在2010年诺奖后。与碳纤维等材料不同，石墨烯是新崛起的纳米碳材料，我国这方面的研究与国际一直处于并行状态，甚至在某些产业领域，如石墨烯粉体规模化和CVD薄膜生长等，还拥有一定的领先优势。这主要得益于各级政府对石墨烯的重视、企业的热情参与、以及科技工作者的辛勤付出。

基础研究方面，我国的石墨烯相关论文数量在世界上已名列前茅，这也表明我国科学家在石墨烯研究上的辛勤付出。但我们也存在一些问题，如石墨烯产业界泡沫——某些单位出于资本、土地和政策等目的，过度炒作石墨烯概念，以次充好，夸大宣传；石墨烯科技成果质量问题、追踪性论文较多而原创性工作偏少、平均引用率较低等，这也给石墨烯行业带来一些负面影响。

依托中国的产业基础，总体上我国在石墨烯粉体和薄膜的规模化制备，超级电容器和锂电池储能应用，导电油墨、防腐涂料和抗静电塑料等功能复合材料领域取得了令世界瞩目的成绩。

【新材料在线】：石墨烯的制备方式和特点有哪些？能否简单地介绍一下？

【陈成猛博士】：在实验室里，制备石墨烯的方法有很多。但归纳起来两大类，一类是从大往小做，也叫自上而下法。例如，以石墨为原料，通过胶带粘贴、氧化还原、液相插层和机械剥离等手段破坏石墨晶体的长程有序堆叠，得到单层或少数几层的石墨烯。另一类是从小往大长，也叫自下而上法。例如，以含碳小分子等为前驱体，采用化学气相沉积、外延生长和有机合成等方法将碳素组装成石墨烯。但从产业化角度来看，并不是所有方法都适于规模化生产。

当前相对成熟的技术分别是，以氧化还原和液相插层为代表的大规模粉体，和以化学气相沉积为代表的大面积薄膜。两者生产工艺完全不同，而产品应用领域也基本不重叠。前者通常以重量来计，可达公斤至吨级，产品剥离效率高、比表面积大、成本低，但缺陷多、可控性差，一般用作锂电池和超级电容器电极导电填料，或用于塑料、油墨、涂料、金属和陶瓷等多种基体的增强或功能填料，形成纳米复合材料。而后者通常以面积来计量，依托其高透光率和面向电导率，通常作为透明电极用于触摸屏和光伏等领域。

【新材料在线】：最近，有科学家发现一种黑磷，具备成为最新半导体材料的潜力，资本市场磷矿概念一度大涨，有人提出“黑磷有望取代石墨烯”。您如何看待这个观点？

【陈成猛博士】：其实，是石墨烯的崛起打开了二维材料的新视野，例如二硫化钼和黑磷等相继受到各界关注。与零带隙的石墨烯相比，二维黑磷单晶的带隙被打开，在半导体领域展现出更大潜力，但其同样存在稳定性差等问题，距实际应用仍相当遥远。资本市场的逻辑我不太懂，但是单纯从技术上看，我觉得这与“磷矿”关系并不大。对半导体而言，即便未来二维黑磷可实现商业应用，而材料以磷矿为原料制备，其用量对磷矿来讲也极其微不足道，可能两三公斤就可满足全球了。这就好比当初石墨烯一出来，石墨矿股票也跟着大涨一样，其实两者也没多大关系。至于黑磷取代石墨烯，首先需要限定一个应用场合，即在什么细分领域；其次，我觉得这种论断还为时尚早，需要市场和时间的检验。从实验室结果到最终应用，路程太长，也充满了艰难和未知。

【新材料在线】：石墨烯的研究是一条既令人兴奋又困难重重的道路，不论是在学术研究上开辟新的领域，还是让石墨烯从实验室走向产业化，这些都不容易。您从事石墨烯研究这么多年，有没有遇到过什么困难？又是如何克服的？

【陈成猛博士】：困难肯定是有的，我们遇到的其中一个硬骨头就是实验室向产业化技术的过渡，也就是石墨烯中试制备技术开发。石墨烯是一个新鲜事物，国内外并没有可供借鉴的工程案例，很多工艺和装备细节都是通过反复论证、探索和实践后才能确定，其中难免会有反复，乃至失败。一个在实验室看似非常简单的操作，如在中试规模实现，经常会大相径庭，因为需考虑的因素很多，如工艺装备可行性，过程经济性、安全性和环保性，及生产连续化和产品稳定等诸多因素。克服这些困难的关键在于我们拥有一个“科学家+工程师组合”的年轻化团队，踏实勤奋又充满活力；其次，煤化所拥有丰厚的工程化土壤和完善的支撑平台，在煤制油和碳纤维等产业技术攻关中培养了优秀的技术人才，系统的工程化思维和理念让我们受益匪浅；另外，我们的合作伙伴晋能集团和山西三维，以及省、市政府也给予了大力的资金支持，保障了项目的成功实施。

【新材料在线】：石墨烯被誉为“即将颠覆二十一世纪的新材料”，您认为石墨烯未来的应用领域有哪些？最快将会在哪些行业实现产业化？

【陈成猛博士】：首先，我认为“颠覆”这个词有点夸大了。二十一世纪是多元化的，材料发展的趋势也呈现复合化和多样化。例如，传统的金属、橡塑、陶瓷和碳素等都有各自适用领域，没有任何一种材料可以包打天下，未来的材料市场将更注重细分。石墨烯是新崛起的二维碳材料，在纳米尺度确实展现出一些优异的物化特性。但新的不代表是最好的，也不一定非要颠覆传统。制约石墨烯商业化的因素有很多，例如：材料能否批量制备？微观性能在宏观尺度能否发挥？用户是否需要这些性能？性价比如何？就粉体而言，我认为其主要还是作为纳米填料，应用于储能、导热导电、增强、屏蔽和防腐等领域，不论如何，形成复合型材或浆料才更接地气，与产业接口才更友好。而对于薄膜，我觉得触摸屏是非常有希望的。但真正高附加值的，所谓killer application，我想应该还是在微电子领域，如果成功了，或许真可谓“革命性”贡献，当然这个技术门槛很高。

【新材料在线】：当前石墨烯虽然很火热，但是依旧有人并不看好，认为其产业化希望渺茫，您认为石墨烯在产业化道路上主要的瓶颈是什么？对于加速推进石墨烯科研及产业化，您有什么建议？

【陈成猛博士】：对于石墨烯产业化，我认为应实事求是、客观看待。当前主要瓶颈有两点，一是低成本高品质石墨烯原料的规模化生产，二是石墨烯的商业化应用。有人可能觉得第一个已不是问题，因为已有多个十吨乃至百吨级产线投产，规模化看似已迎刃而解。事实真是如此吗？除了产能，我认为更重要的是品质，因为原料的品质直接决定其应用属性。对于实际应用，纯度是否足够高？批次稳定性如何？成本是否还有压缩空间？生产过程可否更绿色？技术的进步永无止境，可靠的原料永远是石墨烯产业化的基石。

对于第二点，我想大家谈的比较多了，这是产品出路和价值体现的问题，非常关键，但也很难。作为一种新材料，石墨烯的前十年属于应用发散期，即大家认为石墨烯几乎是万能的，然后在不同领域尝试应用，是在做加法。目前，我们已步入应用集中期，要开始做减法了，因为大部分潜在应用在实践中被证实并无实用价值，或是技术上，或是商业上。在这个阶段，产业链上下游的互动非常必要。我们必须面向用户进行二次开发，去解决分散和成型等共性技术难题，让石墨烯更接“地气”。最终交给用户的，不仅是高品质的材料，还有配套的应用解决方案，也就是solution。

最后，为促进石墨烯产业的健康有序发展，我建议大家多关注标准化工作，充分发挥标准的规范+引领作用。

【新材料在线】：近日，新华社发布了《中共中央关于制定国民经济和社会发展第十三个五年规划的建议》，石墨烯纳入十三五规划的呼声很高，您认为有希望吗？

【陈成猛博士】：今年是十二五收官、十三五规划之年，意义重大。石墨烯作为材料新星，其研究正处于从发散期到集中期过渡的关键阶段。石墨烯在某些细分市场已开始展现应用价值，并有望促进这些领域的技术进步与产业升级。石墨烯研发符合我国的产业经济政策，也已受到党和国家领导人的关注，我认为其很有可能会被纳入十三五规划，这也是我本人非常期望看到的。

陈成猛博士简介：

陈成猛博士，副研究员，现任中科院山西煤化所石墨烯与新能源材料课题组长，中科院青年创新促进会会员、中国石墨烯产业技术创新战略联盟理事及标准委员会成员、中国颗粒学会青年理事。

2006年，陈成猛本科毕业于中国矿业大学矿物加工专业；2012年，获中科院山西煤化所材料学博士学位；2010至2011年间，在德国马普协会Fritz Haber研究所学习。陈成猛博士及其团队致力于石墨烯的批量化制备及其在储能和热管理领域的应用研究。

先后在Adv. Mater., Adv. Func. Mater., Chem. Commun., J. Mater. Chem., Carbon等期刊发表论文40余篇，他引1200余次，H因子为16。申请专利18项，授权5项。曾获中科院和山西省优秀博士学位论文、天津自然科学一等奖、中科院院长奖、石墨烯标准化杰出贡献奖等表彰。