科學家發現石墨烯罕見電子態 石墨烯產業化規劃發展方向

• 黃江 2023年10月23日 來源：新浪 1033 65
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從石墨烯的發現獲得了2010年諾貝爾獎，石墨烯便引發了國際科學界的廣泛關注，在復合材料、電子器件、儲能電池、航天、軍工、生物醫藥等諸多領域都有廣闊的使用空間。而我國對石墨烯領域發展的重視程度也上升到前所未有的高度，在技術和產業化規劃發展方向上，達到了世界

石墨烯本質上只是一層超薄的普通石墨——薄到只有一個原子那么厚。但它具有超強超導性和柔韌性，有望徹底改變電子產品、服裝、甚至航空航天工程等相當多領域。

科學家發現石墨烯罕見電子態

近期，麻省理工學院的物理學家在石墨烯中發現了另一個令人驚訝的特性：當以菱形圖案堆疊成五層時，石墨烯呈現出非常罕見的“多鐵性”狀態，并表現出非常規磁性和奇特的電子行為。有鑒于此，該團隊創造了“鐵谷性”。

麻省理工學院的物理學家Long Ju說：“石墨烯是一種迷人的材料。你添加的每一層基本上都是一種新材料。現在這是我們第一次在五層石墨烯中看到鐵谷性和非常規磁性。但我們在一層、兩層、三層或四層中看不到這種特性。”

鐵質材料在其電、磁或結構特性上表現出某種協調的行為——例如，像磁鐵一樣，它的電子都自旋并指向同一個方向，而不受外部磁場的引導。在其他材料中，電子可能會排列成微小的漩渦。要成為多鐵性材料，同一材料必須表現出多種類型的協調行為。

重要的是，這創造了一個電子被減慢的環境，鐵磁性排列開始發生。在最新研究中，科學家們通過對自然形成的五層石墨烯薄片的仔細分析，研究人員確實看到了多鐵性行為。

首先，有一種非常規的磁性，電子協調它們的軌道運動(而不是像標準磁鐵那樣自旋或旋轉)。其次，電子表現出傾向于在一個特定的電子“谷”(或低能態)中定居，而在標準石墨烯中，它們沒有表現出任何偏好。

研究人員表示，這一發現最終可以有效地將芯片的數據存儲容量提高一倍，幫助工程師為經典和量子計算機設計超低功耗、高容量的數據存儲設備。最新研究成果已于近期發表在了《自然》雜志上。

從石墨烯的發現獲得了2010年諾貝爾獎，石墨烯便引發了國際科學界的廣泛關注，在復合材料、電子器件、儲能電池、航天、軍工、生物醫藥等諸多領域都有廣闊的使用空間。而我國對石墨烯領域發展的重視程度也上升到前所未有的高度，在技術和產業化規劃發展方向上，達到了世界一線水平。

2023石墨烯技術和產業化規劃發展方向

近些年來石墨烯的發現，引起了電子通訊、鋰離子電池、航天軍工、生物醫藥、環保、太陽能、光電等新興領域的廣泛關注，這些新材料的發展，構成天然石墨產業現代化的重要內容，未來在高科技產業市場潛力巨大，隨著下游應用領域的不斷擴大，2021年全球天然石墨產量增幅明顯，2021年全球天然石墨產量達122.30萬噸，較2020年增加了16.93萬噸，同比增長16.07%。

最初的石墨原材料開采，到深加工成鋰離子電池負極材料，再到新能源材料——石墨烯，隨著石墨資源產業精深加工及開發，石墨烯如今身價倍增。

全球石墨礦開采國主要有巴西、加拿大、中國、印度、馬達加斯加、墨西哥、莫桑比克、挪威、俄羅斯、斯里蘭卡、土耳其、烏克蘭等，2021年天然石墨產量分布完成95.0千噸、7.7千噸、820.0千噸、40.2千噸、88.1千噸、1.7千噸、72.0千噸、6.3千噸、15.2千噸、4.3千噸、15.2千噸、3.2千噸。

2021年中國天然石墨產量全球排名第一，占全國天然石墨總產量的67.05%;巴西天然石墨總產量的7.77%;馬達加斯加天然石墨總產量的7.20%;莫桑比克天然石墨總產量的5.89%;印度天然石墨總產量的3.29%;俄羅斯天然石墨總產量的1.25%;土耳其天然石墨總產量的1.24%。

石墨烯，是導熱、導電性最強的新型納米材料，近幾年隨著國際礦業進入調整期，曾經以煤炭作為經濟支柱的黑龍江遭遇到了產能過剩的“陣痛”，而隨著以石墨、石墨烯為主的高新技術企業的進駐，再加上自身石墨資源的優勢，石墨產業或將成為我省經濟轉型的新動力。

前全球石墨烯研發集中在兩個領域，一種是作為戰略性產業的薄膜石墨烯，是將來做微電子不可或缺的高端產品，但是目前薄膜石墨烯技術成熟度不高，還很難形成產業化。另一種就是石墨烯導電漿料，市場前景異常廣闊。根據測算，到2020年，以500萬輛電動汽車為參考基數，僅石墨烯導電劑一項產業，市場將達到200億左右。

袁國輝樂觀地表示，目前國內石墨烯產業市場日趨成熟，隨著市場需求不斷擴大，原有每年生產1000噸的生產線，已經不能滿足需求，為此哈爾濱萬鑫石墨谷科技有限公司已經開始建設一條年生產10000噸的生產線。

根據中研普華研究院《2023-2028年國內石墨制品行業發展趨勢及發展策略研究報告》顯示：

根據工信部2021年12月31日印發的《重點新材料首批次應用示范指導目錄(2021年版)》，石墨烯散熱材料、石墨烯導熱復合材料等六類石墨烯材料被列入前沿新材料。

隨著在石墨烯領域的基礎研究突破不斷涌現，全球已有80多個國家和地區布局石墨烯相關產業，密集出臺了多個創新戰略、產業規劃、扶持政策等，并提供大量資金支持。特別是美國、歐盟、日本、韓國等均將石墨烯研究與應用提升至國家戰略高度。

我國石墨烯材料在新能源、散熱領域的應用逐步成熟，石墨烯散熱材料行業迎來發展熱潮。截至2021年8月中國石墨烯專利申請量占全球石墨烯專利總申請量的68%，是全球石墨烯第一大技術來源國。

據石墨烯產業技術創新戰略聯盟(CGIA)的統計數據，預計我國石墨烯產業規模從2015年的6億元增長至2020年的135億元，年均復合增長率達86.40%。

隨著在石墨烯領域的基礎研究突破不斷涌現，全球已有 80 多個國家和地區布局石墨烯相關產業，密集出臺了多個創新戰略、產業規劃、扶持政策等，并提供大量資金支持。特別是美國、歐盟、日本、韓國等均將石墨烯研究與應用提升至國家戰略高度。

其中，美國擁有最為完善的石墨烯研究與應用鏈，其在石墨烯領域的基礎研究及相關產業化布局由國家科學基金(NSF)、美國能源部(DOE)等政府機構主導，合計已投資數十億美元，資助項目達上千項，重點支持石墨烯晶體管、儲能、生物技術等領域;歐盟在石墨烯領域研究起步較早且更具系統性，其于 2013 年提出的投資 10 億歐元的“石墨烯旗艦計劃”為歐洲有史以來規模最大的研究計劃，制定了詳細的十年發展規劃并持續至今;日本依托其扎實的傳統碳材料產業基礎，以包括日本東京大學、名古屋大學等在內的多所大學和日立、索尼、東芝等眾多企業為主體，投入大量資金和人力，集中于石墨烯在新能源電池、半導體、復合材料等領域的應用和產業化;韓國的石墨烯產業通過產學密切結合，基礎研究快速發展，以韓國三星集團和 LG 公司為代表，保證了韓國在石墨烯柔性顯示、觸摸屏等領域的國際領先地位。綜上所述，世界主要高科技國家均希望在新一輪科技競爭中搶占石墨烯技術和產業發展的制高點。

石墨烯散熱材料的上游主要為氧化石墨烯前驅體、保護膜、膠帶等原材料供應商，下游目前以中高端智能手機、平板電腦等消費電子產品為主，未來在筆記本電腦、智能可穿戴設備、ICT設備、航空航天、醫療器械等應用領域的滲透率有望逐步提升，同時有望拓展至半導體封裝、新能源汽車等其他熱管理領域。

在相關部門、生產企業、科研院所、相關高校等通力合作下，我國石墨烯產業規模、企業數量均呈現跨越式增長，是目前石墨烯產業化發展最活躍的國家之一，專利數量和產業化全球領先，截至 2021年 8 月中國石墨烯專利申請量占全球石墨烯專利總申請量的 68%，是全球石墨烯第一大技術來源國。

目前，我國初步構建起以石墨烯原材料研發、制備、應用為主體的產業鏈，并在部分領域初步實現產業化應用，產業化進程居全球前列。我國石墨烯材料行業市場規模從 2017年的70億元增長至 2022年的348億元，年均復合增長率達38%以上。

《2023-2028年國內石墨制品行業發展趨勢及發展策略研究報告》由中研普華研究院撰寫，本報告對該行業的供需狀況、發展現狀、行業發展變化等進行了分析，重點分析了行業的發展現狀、如何面對行業的發展挑戰、行業的發展建議、行業競爭力，以及行業的投資分析和趨勢預測等等。報告還綜合了行業的整體發展動態，對行業在產品方面提供了參考建議和具體解決辦法。

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