能源 | "新材料之王"石墨烯的传奇人生

小编导读：

石墨烯是从石墨材料中剥离出来、由碳原子组成的只有一层原子厚度的准二维晶体。也是目前发现的最薄的、强度最大的、导电导热性能最强的一种新型纳米材料。

石墨烯被誉为"新材料之王"，它的诞生也极具传奇色彩。

石墨烯之父盖姆把一大块儿高定向热解石墨和一台高级抛光机交给了一位博士生，希望他做出尽可能薄的膜。三个星期后博士生放弃了这项工作。

但是盖姆仍然坚持，只好自己做去做，不过他的方法十分特别。他用透明胶带在石墨上粘一下就会有石墨层被粘在胶带上，把胶带对折后粘一下再拉开，两端就都沾有石墨层，石墨层又变薄了。如此反复多次，终于薄到只有一个碳原子的厚度时，石墨烯就制成了。

图1  石墨烯之父

截止到2017年3月，共检索到与石墨烯主题相关的专利27172件。

下图给出了石墨烯相关专利数量的年度变化趋势。实际上有关石墨烯的研究自上世纪末就已经出现，但是直到2008年之后，专利申请数量才开始出现实质性大幅增长。特别是2010年以后，石墨烯之父获得了诺贝尔奖，石墨烯得到了广泛的关注，全球石墨烯专利申请数量急剧增长。

图2  石墨烯专利数量变化趋势

如图3，石墨专利的类型，绝大部分都以发明专利为主，只有少部分的实用新型和外观设计，从这个数据也可以看出，尽管对于石墨烯的研究已经有了很多，但是相关技术产品仍处在初期阶段，距离工业化生产，还有一段路要走。

另一方面，石墨烯的热度引来了大量专利申请，尽管专利已经有27000多件，但是其中有效的，只有27%左右。

图3  石墨烯专利的法律状态和专利类型

如图4，我国对石墨烯的研究和开发与国际一直保持同步，并在石墨烯技术研发方面处于国际前列，石墨烯研发和专利持有已在全球占据一席之地，石墨烯申请专利占全球总专利数的57%，遥遥领先于第二名的美国。

此外，中国在石墨烯领域发表文章占全球的34%，远高于第二名美国（19%）。

图4  石墨烯专利主要申请国

从专利申请人的角度，在石墨烯相关专利技术主要申请人中，来自中国的申请人是最多的。其中中科院下属的研究所共计申请了约450件相关专利，而海洋王照明作为企业也申请了超过400件相关专利。

从前十位的申请人来看，对于石墨烯研究最活跃的还是集中在中国、美国、韩国等几个国家，而在中国范围内，还是以高校为申请专利的主力军。

图5  石墨烯专利主要申请人

自 2004 年石墨烯被首次制备以来，研究人员发展了多种方法制备石墨烯，各类制备方法可归纳为 2 个主流路线，即自上而下和自下而上的方法。

前者通常以石墨为原料，采用物理或化学的方法将石墨解离成单层或多层的石墨烯，制成的石墨烯单晶一般尺寸较小，以微片形式存在。包括机械剥离法、液相剥离法、氧化还原法等。后者通常以含碳气体或固体化合物为原料，通过化学方法利用碳原子构建石墨烯。

除此之外，还有一些比较另类的生产方法如碳纳米管展开法、分子自组装法等。

目前，高质量大面积石墨烯单晶的制备还处于探索阶段，不同制备方法得到的石墨烯，其物理化学特性不一样，对应着不同的应用领域。每种不同的方法，都在工业化生产，成本和晶体的质量上，有各自的优势和缺点。

图6  各制备方法专利申请趋势

目前石墨烯技术研究主要有储能、复合材料、电子信息、传感器、结构材料、生物医药和水处理等领域。

中国与全球情况大致相同，除了复合材料、结构材料之外，中国在储能和电子信息方面研究也比较多，特别是锂电池、太阳能电池和透明导电器件。

美国和韩国的研究方向与全球相似，但分布更为均匀，各方面的研究产出相对均衡。

图7  石墨烯研究领域分布

新材料之王石墨烯无论何时何地都在吸引着人们关注的视线，在这样的研究热度下，投入工业化生产，进入生活的方方面面，恐怕也不会远了，让我们拭目以待，看看薄薄的石墨烯有哪些大大的能量。

作者简介：郑梦洋，知识产权咨询师，热爱旅行和音乐的理科生。

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