3
石墨烯，是當(dāng)前世界上最薄、最輕、最硬、導(dǎo)電性最好而且擁有強(qiáng)大靈活性的納米材料。
它的強(qiáng)大能力常常令人咋舌。一塊一厘米厚的石墨烯板，能夠讓一頭 5 噸重的成年大象穩(wěn)穩(wěn)站在上面；用石墨烯做的手機(jī)電池，一秒內(nèi)就能把電充滿；以石墨烯為材料的平板電腦，可以隨意折疊成手機(jī)大小放在口袋里。
自石墨烯誕生以來(lái)，人們便對(duì)這個(gè)新材料的研發(fā)與應(yīng)用前景興趣濃厚，也使其也成了資本和市場(chǎng)追逐的寵兒，在電子、航天軍工、新能源新材料等領(lǐng)域也有著廣泛應(yīng)用。
11 月 25 日，在中科院文獻(xiàn)情報(bào)中心產(chǎn)業(yè)情報(bào)研究中心主辦的第 20 期《產(chǎn)業(yè)技術(shù)情報(bào)》發(fā)布會(huì)上，研究人員詳細(xì)梳理了石墨烯在超級(jí)電容器和生物傳感器方面的應(yīng)用情況，首次將兩個(gè)發(fā)布主題聚焦于同一領(lǐng)域，并基于權(quán)威數(shù)據(jù)庫(kù)分析，對(duì)二者的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)作出研判。
清華大學(xué)化工系教授騫偉中和國(guó)家納米科學(xué)中心博士研究生史濟(jì)東，作為特邀專家參加了此次發(fā)布活動(dòng)，并結(jié)合自己目前所從事的研究工作，與參會(huì)人員進(jìn)行了交流討論。
石墨烯超級(jí)電容器技術(shù)：中國(guó)處于快速增長(zhǎng)期
當(dāng)今能源及環(huán)境問(wèn)題日趨嚴(yán)重，以新能源電動(dòng)汽車為代表的綠色交通工具的發(fā)展需求越來(lái)越大。而解決其制動(dòng)能量回收系統(tǒng)的問(wèn)題是產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵之一，因此產(chǎn)業(yè)對(duì)兼顧高能量密度與高功率密度的電化學(xué)儲(chǔ)能器件的需求越來(lái)越迫切。與此同時(shí)，超級(jí)電容器因具備使用壽命長(zhǎng)、充電時(shí)間短、可顯示存電量、材料無(wú)限、低溫性能良好等優(yōu)點(diǎn)，被賦予較大期待。
石墨烯具有良好的電化學(xué)性能、抗拉伸性能和易與其他活性材料合成的結(jié)構(gòu)，與活性炭類似，可以作為良好穩(wěn)定的負(fù)極材料，被漸漸應(yīng)用到超級(jí)電容器電容材料中。石墨烯超級(jí)電容器主要研究領(lǐng)域包括：用于電極材料的過(guò)渡金屬氧化物、活化煤、以及氮摻雜石墨烯、集電器表面等方面；涉及技術(shù)包括氧化石墨烯單體、過(guò)度金屬氧化物、氮摻雜、煤活化等。
隨著 2004 年英國(guó)曼徹斯特大學(xué)物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)石墨烯的分離制備方法，石墨烯在超級(jí)電容器中的應(yīng)用也逐漸開(kāi)始迅速發(fā)展，專利年發(fā)表數(shù)量快速增長(zhǎng)，于 2012 年達(dá)到峰值每年 280 項(xiàng)。目前相關(guān)技術(shù)專利平均在每年 250 項(xiàng)左右。
中國(guó)的石墨烯超級(jí)電容器領(lǐng)域技術(shù)的發(fā)展 2009 年起迅猛增長(zhǎng)，年申請(qǐng)量迅速超過(guò)每年 100 項(xiàng)，于 2012 年達(dá)到峰值，此后基本保持在每年 120 項(xiàng)以上，處于快速增長(zhǎng)期。
根據(jù)專利技術(shù)來(lái)源分布來(lái)看，目前掌握著石墨烯超級(jí)電容器技術(shù)的主要國(guó)家或地區(qū)依次為中國(guó)（51%）、美國(guó)（20%）、韓國(guó)（15%）和日本（4%）、歐盟（2%）、和加拿大（2%），其專利總和超過(guò)全球?qū)＠偭康?80%。
在國(guó)際市場(chǎng)布局上，中國(guó)主要關(guān)注于本土專利布局，申請(qǐng)比例達(dá) 90%左右，此外在美國(guó)、日本及 WO、EP 也有少量申請(qǐng)。相比之下，美國(guó)、韓國(guó)除本土申請(qǐng)外，均在該領(lǐng)域的各主要技術(shù)市場(chǎng)進(jìn)行了大量海外布局，如中國(guó)、日本、加拿大等地區(qū)，競(jìng)爭(zhēng)較為激烈。
記者發(fā)現(xiàn)，在石墨烯超級(jí)電容器技術(shù)專利權(quán)人排名中，前 25 名專利權(quán)人中數(shù)量最多的是來(lái)自中國(guó)的機(jī)構(gòu)（17 家）。排名前 5 位的依次是，海洋王照明科技股份有限公司、中國(guó)科學(xué)院、韓國(guó)三星公司、美國(guó) Nanotek 儀器公司和浙江大學(xué)。其實(shí)，中國(guó)、韓國(guó)、美國(guó)發(fā)表專利數(shù)量最多的專利權(quán)人均是企業(yè)。
“從產(chǎn)業(yè)技術(shù)情報(bào)發(fā)布的內(nèi)容來(lái)看，我們國(guó)家在石墨烯領(lǐng)域的論文和專利的數(shù)量還是比較可觀的，這些數(shù)據(jù)充分反映了我們國(guó)家的科技活力。”騫偉中說(shuō)。
他介紹，目前石墨烯的主要制造市場(chǎng)和應(yīng)用市場(chǎng)均在中國(guó)，國(guó)內(nèi)的眾多機(jī)構(gòu)在該領(lǐng)域進(jìn)行了專利布局。北京和江蘇已分別成為國(guó)家石墨烯發(fā)展很研發(fā)的較為集中的地區(qū)，未來(lái) 5 年到 10 年這些地區(qū)還將在石墨烯領(lǐng)域進(jìn)行大力布局。
“從產(chǎn)業(yè)化角度來(lái)看，目前石墨烯電容器領(lǐng)域技術(shù)更多的集中在高校實(shí)驗(yàn)室，離產(chǎn)業(yè)化還有一段路要走，我們國(guó)家應(yīng)推動(dòng)高校和企業(yè)的銜接，大力推動(dòng)石墨烯電容器的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。”騫偉中建議。
石墨烯生物傳感器：中國(guó) SCI 發(fā)文量位列第一
自 2004 年被發(fā)現(xiàn)以來(lái)，石墨烯因其特殊的納米結(jié)構(gòu)以及優(yōu)良的光學(xué)、電學(xué)等特性以及良好的生物相容性，迅速成為生物傳感器研究中的熱點(diǎn)材料，成功檢測(cè)多種生物小分子、DNA、酶、蛋白質(zhì)以及細(xì)胞等。
“生物傳感器是生命分析化學(xué)及生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的重要研究方向，已廣泛應(yīng)用于臨床疾病診斷和治療研究。但石墨烯生物傳感器目前處于實(shí)驗(yàn)室階段，還未實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。”史濟(jì)東說(shuō)。
據(jù)中科院文獻(xiàn)情報(bào)中心研究人員介紹，石墨烯用于生物傳感器領(lǐng)域研究的重點(diǎn)集中在以下兩個(gè)方面：一是石墨烯電化學(xué)生物傳感器，包括安倍型傳感器、電化學(xué)發(fā)光型和場(chǎng)效應(yīng)晶體管型等，涉及酶?jìng)鞲衅鳎ㄓ糜跈z測(cè)過(guò)氧化氫、葡萄糖、抗壞血酸、多巴胺、尿酸等）、免疫傳感器（用于檢測(cè)病毒、細(xì)菌、癌癥標(biāo)記物等）、DNA 傳感器、蛋白質(zhì)傳感器等；二是石墨烯光學(xué)生物傳感器，包括熒光傳感器和基于共振能量轉(zhuǎn)移傳感器。
石墨烯用于生物傳感器領(lǐng)域的 SCI 論文發(fā)文年代分布呈現(xiàn)出如下特征，2005 年至 2009 年發(fā)文量相對(duì)較少，年發(fā)文量不超過(guò) 100 篇，主要來(lái)自美國(guó)和中國(guó)，研究進(jìn)展相對(duì)緩慢，處于技術(shù)孕育期。隨著 2010 年英國(guó)曼徹斯特大學(xué)的物理學(xué)家安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫因在石墨烯材料方面的研究獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)以后，全球石墨烯用于生物傳感器 SCI 發(fā)文量增長(zhǎng)趨勢(shì)逐漸明顯，2015 年 SCI 發(fā)文量突破了 2300 篇，相關(guān)技術(shù)進(jìn)入快速成長(zhǎng)階段。
統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，全球共有 85 個(gè)國(guó)家和地區(qū)開(kāi)展了石墨烯用于生物傳感器的相關(guān)研究，其中 SCI 發(fā)文量前 10 位國(guó)家依次是中國(guó)、美國(guó)、印度、韓國(guó)、伊朗、中國(guó)臺(tái)灣、新加坡、英國(guó)、日本和澳大利亞，上述 10 個(gè)國(guó)家在石墨烯用于生物傳感器領(lǐng)域的 SCI 發(fā)文量占總量的 81.61%。其中中國(guó)在該主題的研究中占有明顯優(yōu)勢(shì)，其發(fā)文量占全部論文的 47.76%，位居第 2 位的是美國(guó)，其發(fā)文量占全部論文的 9.39%。
在高被引論文方面，石墨烯用于生物傳感器領(lǐng)域 SCI 論文屬于 ESI 高被引論文有 345 篇，來(lái)自 35 個(gè)國(guó)家和地區(qū)。其中 ESI 高被引論文主要來(lái)自中國(guó)（176 篇）、美國(guó)（86 篇）、新加坡（39 篇）、韓國(guó)（23 篇）和印度（15 篇）。
值得一提的是，前 10 位 ESI 高被引 SCI 論文中，有 6 篇發(fā)文來(lái)自中國(guó)福州大學(xué)、中科院長(zhǎng)春應(yīng)用化學(xué)研究所、清華大學(xué)和中科院上海應(yīng)用物理研究所 4 家機(jī)構(gòu)，3 篇來(lái)自美國(guó)西北大平陽(yáng)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、中弗羅里達(dá)大學(xué)和美國(guó)海軍 3 家機(jī)構(gòu)，可以看出中國(guó)在該技術(shù)領(lǐng)域擁有一定的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。
