中科院產業技術情報聚焦石墨烯如何顛覆未來
2016-11-28 來源：中國聚合物網
關鍵詞：石墨烯
石墨烯，是當前世界上最薄、最輕、最硬、導電性最好而且擁有強大靈活性的納米材料。
它的強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噸重的成年大象穩穩站在上面；用石墨烯做的手機電池，一秒內就能把電充滿；以石墨烯為材料的平板電腦，可以隨意折疊成手機大小放在口袋里。
自石墨烯誕生以來，人們便對這個新材料的研發與應用前景興趣濃厚，也使其也成了資本和市場追逐的寵兒，在電子、航天軍工、新能源新材料等領域也有著廣泛應用。
11月25日，在中科院文獻情報中心產業情報研究中心主辦的第20期《產業技術情報》發布會上，研究人員詳細梳理了石墨烯在超級電容器和生物傳感器方面的應用情況，首次將兩個發布主題聚焦于同一領域，并基于權威數據庫分析，對二者的未來發展趨勢作出研判。
清華大學化工系教授騫偉中和國家納米科學中心博士研究生史濟東，作為特邀專家參加了此次發布活動，并結合自己目前所從事的研究工作，與參會人員進行了交流討論。
石墨烯超級電容器技術：中國處于快速增長期
當今能源及環境問題日趨嚴重，以新能源電動汽車為代表的綠色交通工具的發展需求越來越大。而解決其制動能量回收系統的問題是產業發展的關鍵之一，因此產業對兼顧高能量密度與高功率密度的電化學儲能器件的需求越來越迫切。與此同時，超級電容器因具備使用壽命長、充電時間短、可顯示存電量、材料無限、低溫性能良好等優點，被賦予較大期待。
石墨烯具有良好的電化學性能、抗拉伸性能和易與其他活性材料合成的結構，與活性炭類似，可以作為良好穩定的負極材料，被漸漸應用到超級電容器電容材料中。石墨烯超級電容器主要研究領域包括：用于電極材料的過渡金屬氧化物、活化煤、以及氮摻雜石墨烯、集電器表面等方面；涉及技術包括氧化石墨烯單體、過度金屬氧化物、氮摻雜、煤活化等。
隨著2004年英國曼徹斯特大學物理學家發現石墨烯的分離制備方法，石墨烯在超級電容器中的應用也逐漸開始迅速發展，專利年發表數量快速增長，于 2012年達到峰值每年280項。目前相關技術專利平均在每年250項左右。
中國的石墨烯超級電容器領域技術的發展2009年起迅猛增長，年申請量迅速超過每年100項，于2012年達到峰值，此后基本保持在每年120項以上，處于快速增長期。
根據專利技術來源分布來看，目前掌握著石墨烯超級電容器技術的主要國家或地區依次為中國（51%）、美國（20%）、韓國（15%）和日本（4%）、歐盟（2%）、和加拿大（2%），其專利總和超過全球專利總量的80%。
在國際市場布局上，中國主要關注于本土專利布局，申請比例達90%左右，此外在美國、日本及WO、EP也有少量申請。相比之下，美國、韓國除本土申請外，均在該領域的各主要技術市場進行了大量海外布局，如中國、日本、加拿大等地區，競爭較為激烈。
記者發現，在石墨烯超級電容器技術專利權人排名中，前25名專利權人中數量最多的是來自中國的機構（17家）。排名前5位的依次是，海洋王照明科技股份有限公司、中國科學院、韓國三星公司、美國Nanotek儀器公司和浙江大學。其實，中國、韓國、美國發表專利數量最多的專利權人均是企業。
“從產業技術情報發布的內容來看，我們國家在石墨烯領域的論文和專利的數量還是比較可觀的，這些數據充分反映了我們國家的科技活力。”騫偉中說。
他介紹，目前石墨烯的主要制造市場和應用市場均在中國，國內的眾多機構在該領域進行了專利布局。北京和江蘇已分別成為國家石墨烯發展很研發的較為集中的地區，未來5年到10年這些地區還將在石墨烯領域進行大力布局。
“從產業化角度來看，目前石墨烯電容器領域技術更多的集中在高校實驗室，離產業化還有一段路要走，我們國家應推動高校和企業的銜接，大力推動石墨烯電容器的產業化發展。”騫偉中建議。
石墨烯生物傳感器：中國SCI發文量位列第一
自2004年被發現以來，石墨烯因其特殊的納米結構以及優良的光學、電學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材料，成功檢測多種生物小分子、DNA、酶、蛋白質以及細胞等。
“生物傳感器是生命分析化學及生物醫學領域中的重要研究方向，已廣泛應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驗室階段，還未實現產業化。”史濟東說。
據中科院文獻情報中心研究人員介紹，石墨烯用于生物傳感器領域研究的重點集中在以下兩個方面：一是石墨烯電化學生物傳感器，包括安倍型傳感器、電化學發光型和場效應晶體管型等，涉及酶傳感器（用于檢測過氧化氫、葡萄糖、抗壞血酸、多巴胺、尿酸等）、免疫傳感器（用于檢測病毒、細菌、癌癥標記物等）、DNA傳感器、蛋白質傳感器等；二是石墨烯光學生物傳感器，包括熒光傳感器和基于共振能量轉移傳感器。
石墨烯用于生物傳感器領域的SCI論文發文年代分布呈現出如下特征，2005 年至2009年發文量相對較少，年發文量不超過100篇，主要來自美國和中國，研究進展相對緩慢，處于技術孕育期。隨著2010年英國曼徹斯特大學的物理學家安德烈·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獎以后，全球石墨烯用于生物傳感器SCI發文量增長趨勢逐漸明顯，2015 年SCI發文量突破了2300篇，相關技術進入快速成長階段。
統計數據顯示，全球共有85個國家和地區開展了石墨烯用于生物傳感器的相關研究，其中SCI發文量前10位國家依次是中國、美國、印度、韓國、伊朗、臺灣、新加坡、英國、日本和澳大利亞，上述10個國家在石墨烯用于生物傳感器領域的SCI發文量占總量的81.61%。其中中國在該主題的研究中占有明顯優勢，其發文量占全部論文的47.76%，位居第2位的是美國，其發文量占全部論文的9.39%。
在高被引論文方面，石墨烯用于生物傳感器領域SCI論文屬于ESI高被引論文有345篇，來自35個國家和地區。其中ESI高被引論文主要來自中國（176篇）、美國（86篇）、新加坡（39篇）、韓國（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篇發文來自中國福州大學、中科院長春應用化學研究所、清華大學和中科院上海應用物理研究所4家機構，3篇來自美國西北大平陽國家實驗室、中弗羅里達大學和美國海軍3家機構，可以看出中國在該技術領域擁有一定的技術優勢。
它的強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噸重的成年大象穩穩站在上面；用石墨烯做的手機電池，一秒內就能把電充滿；以石墨烯為材料的平板電腦，可以隨意折疊成手機大小放在口袋里。
自石墨烯誕生以來，人們便對這個新材料的研發與應用前景興趣濃厚，也使其也成了資本和市場追逐的寵兒，在電子、航天軍工、新能源新材料等領域也有著廣泛應用。
11月25日，在中科院文獻情報中心產業情報研究中心主辦的第20期《產業技術情報》發布會上，研究人員詳細梳理了石墨烯在超級電容器和生物傳感器方面的應用情況，首次將兩個發布主題聚焦于同一領域，并基于權威數據庫分析，對二者的未來發展趨勢作出研判。
清華大學化工系教授騫偉中和國家納米科學中心博士研究生史濟東，作為特邀專家參加了此次發布活動，并結合自己目前所從事的研究工作，與參會人員進行了交流討論。
石墨烯超級電容器技術：中國處于快速增長期
當今能源及環境問題日趨嚴重，以新能源電動汽車為代表的綠色交通工具的發展需求越來越大。而解決其制動能量回收系統的問題是產業發展的關鍵之一，因此產業對兼顧高能量密度與高功率密度的電化學儲能器件的需求越來越迫切。與此同時，超級電容器因具備使用壽命長、充電時間短、可顯示存電量、材料無限、低溫性能良好等優點，被賦予較大期待。
石墨烯具有良好的電化學性能、抗拉伸性能和易與其他活性材料合成的結構，與活性炭類似，可以作為良好穩定的負極材料，被漸漸應用到超級電容器電容材料中。石墨烯超級電容器主要研究領域包括：用于電極材料的過渡金屬氧化物、活化煤、以及氮摻雜石墨烯、集電器表面等方面；涉及技術包括氧化石墨烯單體、過度金屬氧化物、氮摻雜、煤活化等。
隨著2004年英國曼徹斯特大學物理學家發現石墨烯的分離制備方法，石墨烯在超級電容器中的應用也逐漸開始迅速發展，專利年發表數量快速增長，于 2012年達到峰值每年280項。目前相關技術專利平均在每年250項左右。
中國的石墨烯超級電容器領域技術的發展2009年起迅猛增長，年申請量迅速超過每年100項，于2012年達到峰值，此后基本保持在每年120項以上，處于快速增長期。
根據專利技術來源分布來看，目前掌握著石墨烯超級電容器技術的主要國家或地區依次為中國（51%）、美國（20%）、韓國（15%）和日本（4%）、歐盟（2%）、和加拿大（2%），其專利總和超過全球專利總量的80%。
在國際市場布局上，中國主要關注于本土專利布局，申請比例達90%左右，此外在美國、日本及WO、EP也有少量申請。相比之下，美國、韓國除本土申請外，均在該領域的各主要技術市場進行了大量海外布局，如中國、日本、加拿大等地區，競爭較為激烈。
記者發現，在石墨烯超級電容器技術專利權人排名中，前25名專利權人中數量最多的是來自中國的機構（17家）。排名前5位的依次是，海洋王照明科技股份有限公司、中國科學院、韓國三星公司、美國Nanotek儀器公司和浙江大學。其實，中國、韓國、美國發表專利數量最多的專利權人均是企業。
“從產業技術情報發布的內容來看，我們國家在石墨烯領域的論文和專利的數量還是比較可觀的，這些數據充分反映了我們國家的科技活力。”騫偉中說。
他介紹，目前石墨烯的主要制造市場和應用市場均在中國，國內的眾多機構在該領域進行了專利布局。北京和江蘇已分別成為國家石墨烯發展很研發的較為集中的地區，未來5年到10年這些地區還將在石墨烯領域進行大力布局。
“從產業化角度來看，目前石墨烯電容器領域技術更多的集中在高校實驗室，離產業化還有一段路要走，我們國家應推動高校和企業的銜接，大力推動石墨烯電容器的產業化發展。”騫偉中建議。
石墨烯生物傳感器：中國SCI發文量位列第一
自2004年被發現以來，石墨烯因其特殊的納米結構以及優良的光學、電學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材料，成功檢測多種生物小分子、DNA、酶、蛋白質以及細胞等。
“生物傳感器是生命分析化學及生物醫學領域中的重要研究方向，已廣泛應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驗室階段，還未實現產業化。”史濟東說。
據中科院文獻情報中心研究人員介紹，石墨烯用于生物傳感器領域研究的重點集中在以下兩個方面：一是石墨烯電化學生物傳感器，包括安倍型傳感器、電化學發光型和場效應晶體管型等，涉及酶傳感器（用于檢測過氧化氫、葡萄糖、抗壞血酸、多巴胺、尿酸等）、免疫傳感器（用于檢測病毒、細菌、癌癥標記物等）、DNA傳感器、蛋白質傳感器等；二是石墨烯光學生物傳感器，包括熒光傳感器和基于共振能量轉移傳感器。
石墨烯用于生物傳感器領域的SCI論文發文年代分布呈現出如下特征，2005 年至2009年發文量相對較少，年發文量不超過100篇，主要來自美國和中國，研究進展相對緩慢，處于技術孕育期。隨著2010年英國曼徹斯特大學的物理學家安德烈·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獎以后，全球石墨烯用于生物傳感器SCI發文量增長趨勢逐漸明顯，2015 年SCI發文量突破了2300篇，相關技術進入快速成長階段。
統計數據顯示，全球共有85個國家和地區開展了石墨烯用于生物傳感器的相關研究，其中SCI發文量前10位國家依次是中國、美國、印度、韓國、伊朗、臺灣、新加坡、英國、日本和澳大利亞，上述10個國家在石墨烯用于生物傳感器領域的SCI發文量占總量的81.61%。其中中國在該主題的研究中占有明顯優勢，其發文量占全部論文的47.76%，位居第2位的是美國，其發文量占全部論文的9.39%。
在高被引論文方面，石墨烯用于生物傳感器領域SCI論文屬于ESI高被引論文有345篇，來自35個國家和地區。其中ESI高被引論文主要來自中國（176篇）、美國（86篇）、新加坡（39篇）、韓國（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篇發文來自中國福州大學、中科院長春應用化學研究所、清華大學和中科院上海應用物理研究所4家機構，3篇來自美國西北大平陽國家實驗室、中弗羅里達大學和美國海軍3家機構，可以看出中國在該技術領域擁有一定的技術優勢。
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（責任編輯：xu）
