突圍 – 石墨烯前方的道路在何方？

石墨烯，這個讓人又愛又恨的傢伙，看起來像是高大上，實際上也不過是我們平日用的「鉛筆」中的幾層而已。但由於熱與壓力的緣故，使得石墨烯在大自然無法自行生成，必須透過某些工藝來取得，這個難題這就它成為各國追捧的前沿材料。其實，進入石墨烯行業的門坎很低，每間高校的材料化學課題組都可以自行製備，但要做得好很困難，因為你根本不懂石墨烯怎麼去運用在各種領域上。

站在巨觀的角度，石墨烯已經被證明有那麼多優異的性質，在現今材料突破的方向發展絕對是正確的。但在微觀的角度來看，先前因為石墨烯製備困難，業者認為性價比太低沒有意願參與，現在可以量產了，價格也很低，但卻遇到傳統氧化還原法的石墨烯物性差真正石墨烯太多。加上中國從 2006 年就有石墨烯公司成立到現在，很遺憾的多是停留在「只聞樓梯響」的階段，前段時間還高談 2015 年是中國石墨烯產業的爆發元年，但現在的情況還是令人失望。(見圖一. 石墨烯八大物性。)

第一部分我們來回顧中國石墨烯的發展道路。

nn中國自 2009 年積極推動石墨烯產業，即便在 2013 年陸續成立了產業聯盟，幾年過去了還是沒有太多令人驚艷的成果，讓我們不禁疑慮難道石墨烯不像我們聽到的那麼神奇了嗎？其實不然，只不過問題核心出在三個地方﹕第一，正由於製備氧化石墨烯進入門坎低所以充斥市面，但石墨烯氧化物為絕緣體，做導電、導熱材料效果勢必不佳﹔第二，目前檯面上的石墨烯公司的領導大多都是學者出身，往往都有其專業領域但非渠道出身，為取得石墨烯材料而參考 Hummers 法改良成可量產，但這通常制約其往其他不同領域深研的機會﹔第三，錯以為石墨烯為「超級材料」加進去就有效，其實石墨烯不能黏附在各類材質上，必須以高分子復材方式進行，那就要先解決界面問題，要懂得依功能需要挑選不同基材後，石墨烯的組分也不同，加上石墨烯有 600多種品項，一家公司只有氧化還原製備幾種石墨烯怎麼可能符合各類型應用技術來。(見圖二.中國石墨烯產業化基地。)

但弔詭的是 99% 的石墨烯廠家都採用氧化還原法，原因很簡單，就是可以量產使成本大幅下降。我估算過如果在高校實驗室製備石墨烯為每克 40 元，石墨烯公司生產氧化石墨為 1 元的話，還原氧化物石墨烯大概不超過 5 元。但除了應用範圍受限外，更嚴重的問題是廢酸處理成本及後續影響環境未被計算進成本，生物質石墨烯，靠譜嗎？。所以我才會一直呼籲那些成立很久的石墨烯公司如果不自廢武功重新來過，未來將不可能有機會改變現況的。這是石墨烯產業化無法突破的第一點。

其次，千萬不要把石墨烯當成「超級材料」，材料應用總是離不開各類機理的。加上石墨烯屬於增益材料，滲濾閾值通常很低就達到很好的效果，所以在機理後要以主材質的角度去思考。我們舉石墨烯導電油墨為例 (片電阻 10E0 奧姆，比 Vorbeck 還高一個數量級，成本為 1╱5)，首先，要考慮塗布在何種基材?為了不脫落要選用甚麼樹脂? 樹脂與石墨烯的界面怎麼解決？要加入那些成分以達到導電網路與分散均勻? 接著還要考慮石墨烯滲濾閾值多少才能超出現有市售規格? 最後，終端成本的性價比如何? 傳統石墨烯公司的思維是亂槍打鳥，就免費送唄，總會被我蒙到幾個可以用的產品，但你只有一二種石墨烯材料，難怪到現在還一事無成。這是石墨烯產業化無法突破的第二點。

最後，近年來中國各地政府大力支持石墨烯產業，從重慶、山東、江蘇及廣東形成幾個石墨烯部落，當地政府甚至祭出補助方案，但是應用技術推廣失利的惡性循環下，大部分石墨烯公司不是經營困難就是半歇業領補助。各位回想 2015 年 3 月發表的影馳手機現在在何處？那些石墨烯潤滑油、枕頭或體溫計，我們該到哪裡才買得到。我只能說這些廠家不負責任，加入石墨烯不過提升個 30~40% 就急得發表，要不是有壓力，要不就是想製造話題，否則消費者根本不買單，壞的是讓民眾對石墨烯不再有憧憬了，那還高談闊論石墨烯產業元年將情何以堪？這是石墨烯產業化無法突破的第三點。

我在這裡歸納了造成石墨烯的亂象有三：

第一點，有了石墨烯量產能力並不代表可以商品化。

nn石墨烯生產工藝主流大致上分成兩個區塊，第一塊是以氧化還原法製備石墨烯粉末 (含氧化石墨烯)，第二塊是以化學氣相沉積製備石墨烯薄膜。這兩個技術基本上與國外並無太大差異，石墨烯粉末都是同樣師法改良式nHummers法，這連一般高校化工、材料系的課題組都可以自己做出來。基本上大陸由於資源挹注較多，所以產能上比國外更大。但值得我們省思的是中國投入這麼多的資源，結果卻是在全球石墨烯產業綜合發展實力排行僅是第三？中國石墨烯專利申請累積 13,427 件，遠高於第二名美國的 4,429 件，但我們又有哪些應用商品真正上市呢？

第二點，為了追求量產的結果犧牲了石墨烯物性。

nn中國石墨烯產業自 2009 年推動迄今為何一籌莫展？其原因有三在前面已經說明了。難道，中國石墨烯產業就沒有機會了嗎？最近有個機會與中科院某個研究所談到石墨烯潤滑油合作開發項目，他們採用機械剝離及電化學法自行製備石墨烯材料，據他們說每克成本僅 1 元。這是好事，雖然機械剝離法一般在 10~100 微米之間，存在產率低和成本高的不足，不能滿足工業化和規模化生產要求，但至少已經往對的工藝方向去進行。其次，每天僅生產幾十公斤，這在中試前還不太有影響，但進入量產前就要先規劃好後續可行方案才行。

第三點，發展中國結合渠道及政策的石墨烯旗艦計劃才是王道。

nn我們看到歐盟石墨烯旗艦計劃講求打群架，反觀中國石墨烯各地產業聯盟做的是搶食少數應用市場，分散資源各自為政，這才是我們最不願意看到的現象。簡單地說，國家政策很明確是鼓勵石墨烯產業的，但只想靠政府補助卻不去思考如何整合石墨烯產業，終究會被市場淘汰的。他山之石可以攻錯，中國一定要以整個石墨烯平台的概念去整合「政府- 資金- 渠道- 技術- 生產」的模式才能突圍，這點我們會在後面再說明清楚。

nn第二部分，我將釐清大家對石墨烯的幾點誤解。

第一，石墨烯產業的發展還需要尋找石墨烯的真正應用，即那種「獨佔式」、能夠體現石墨烯優勢的應用。

nn答：

nn錯。我一直鼓吹「機理為本、石墨烯為用」。石墨烯無非是一種碳材料，跟碳纖維、碳納米管沒有本質的區別，關鍵是看用在哪裡，只要性價比足夠好，市場足夠大，就是很好的應用。很多已經成熟的應用，其實都沒有看上去那麼「高大上」，譬如塑料、塗料及潤滑油這些接地氣的產品已經可以先商品化了。(見圖三. 石墨烯應用技術範疇。)

第二，石墨烯就是單層石墨，其它的都不是石墨烯。

nn答：

nn錯。石墨烯存在兩種形態—石墨烯薄膜和石墨烯粉體，我們發現不同的石墨烯製備技術可以適用在不同的應用技術。把單層石墨烯當作寶是不切實際的想法，記得前面舉過石墨烯導電油墨的例子，既然石墨烯導電性世界第一，幹麼不直接黏附在基材上就好，原因在石墨烯本身無法直接黏附在任何材質上 (沉積法除外)，必須與高分子結合成復材形式才能不脫落。在這個例子還不能用單層石墨烯，倒不是成本的問題，而是層與層如果沒有連成導電網路就無法達到導電功能，加入過多石墨烯會使高分子變硬變脆，反而做不出好的導電油墨來。(見圖四. 石墨烯應用技術與材料矩陣。)

第三，石墨烯的主要挑戰是要同時滿足兩個條件：低成本和高質量。

nn答：

nn錯。我們已經發展五代的石墨烯都已經達到每克 1 元以下成本，經 XPS 檢測含氧率僅 0.1~0.5%，接近純石墨烯，其他表徵數據也證明質量已經達到高水平。那接下來的挑戰是甚麼？其實在於喚醒中國大型公司對石墨烯的信心。過去三年我接觸許多上市公司，對於成本及質量都很讚歎，坦言對我說如果是幾年前馬上就投資合作，但過去受到石墨烯概念股的忽悠，還是要我們做出樣品再來討論。上個月我們才剛以普蘭特 I 型水泥完成 28 天齡試片，經抗壓強度測試高於市售產品 200%，反正真金不怕火煉，只要找到對的材料，加上我們有超過 200 種石墨烯材料組合，成功機率自然高過同業。(見圖五. 石墨烯各類檢測表徵。)

第四，石墨烯不能一葯治百病，踏實做好研究才是關鍵。

nn答：前面對、後面錯。石墨烯終究要結合各類機理來製備客制化石墨烯，才能達到預期的物性，所以我一直強調石墨烯不是超級材料，倒是可以用工業味精來形容它。我說後面錯並不是說踏實做好研究不對，而是在做好研究之前，先要清楚你究竟要做甚麼？那就是我說的「方向」。康飛宇教授曾說：中國目前面臨著石墨烯研發仍然局限於高校和科研院所，雖然在石墨烯論文發表量上位居全球首位，但不少科研院所並不知道產業界到底要什麼，科研和應用脫節問題突出。所以，做好研究 (是方法) 卻不能商轉是浪費國家資源的大事，千萬不要本末倒置。(見圖六. 石墨烯生產工藝。)

第五，中國在基礎研究上的問題，主要是缺乏國家的引導，而企業不可能做這方面投入。

nn答：

nn錯。回到市場機制才是王道。國家政策很清楚，我這幾年接觸地方政府及上市公司的經驗告訴我，地方政府招商當地投資以促進稅收及就業，上市公司面臨企業轉型危機，大家都在等石墨烯能實現多贏局面，但幾年過去了，補助也給了，成果還是沒看到。所以溯本清源，石墨烯產業應「反求諸己」，先證明自己的技術可以取代現有市面產品，爭取上市公司合作回饋在當地設廠，這才是負責任的態度。過去地方並不是沒有給優惠政策，成果不好也可以歸咎材料不佳或想法錯誤，如今已經有公司突破這些困境，我倒希望各地石墨烯產業聯盟能負起該盡的義務。當然還是有不少有識之士，能夠看到這個領域的發展規律，誰說企業不可能主導整個平台呢 (見圖七. 石墨烯產業整體套路。)

第六，石墨烯產業化應該做的不僅是高品質的材料，還有配套的應用解決方案？

nn答：

nn觀念是對的，但很少有廠商做得到。朱宏偉教授曾說：現在國內的石墨烯應用，有些確實是在炒概念，真正做石墨烯的企業其實沒有幾家，很多都是原來做石墨等碳材料的企業，甚至完全不相關的企業打著石墨烯的旗號，或者炒作股票，或者爭取國家基金，真正做石墨烯並且真正能賺錢的企業屈指可數。好了，就算你跳出學界自行創業，但你只會用原先寫論文時的那套工藝，做的是學校後續研究的產業版，但殘酷的是生產追求「一致化」，現實也是很殘酷的。更嚴重的是並不知道產業界到底要什麼，科研和應用脫節問題突出。

第七，石墨烯是不是一蹴可及的？

nn答：

nn這是一條漫長但值得投入的產業。Geim 之前接受中國媒體採訪時就指出，許多已發表的石墨烯論文中，一半的研究會被廢棄掉。另一方面，許多專利，特別是產自大學的專利，其中 90% 並沒什麼價值，99% 的專利最終會作廢，維護這些專利也會花很多費用，很多人為此在浪費生命。我們認為物盡其用，學界的優勢在不斷實驗找出藏在背後的機理，產業的優勢是嗅出可以取代現有技術的缺口，雖然有些像安全及生命的技術需要認證期較長，我們卻可以先進行一些門坎低、驗證期短的產品先導入市場。

第八，2015 年是否可以看作是石墨烯商業化的元年？

nn答：

我不認同，因為還是沒有令人驚艷的成果。2015 年對整個石墨烯行業來說，已可以用轟轟烈烈來形容，很多人認為可以看作是石墨烯商業化的元年。但是，在喧鬧的背後，不能不正視的事實是，現有的商業應用依然是對現有材料有限的改進，而並沒有質的提升，由於石墨烯概念受到資本市場的追捧，產業化發展迅速，但炒作的現象還是跟印象中的石墨烯概念股一樣，讓民眾又再次失望了。

第九，難道採用氧化還原法石墨烯的廠商就沒有救了嗎？

nn答：

nn錯。製造氧化還原石墨烯的設備以簡單的反應釜設備和超聲波設備為主，但是這樣的方法做出來的石墨烯，強烈的氧化過程會造成石墨烯結構的大量缺陷，這些缺陷導致石墨烯導電導熱性能的大幅度下降。另外氧化石墨烯即使經過還原，石墨的片層結構的缺陷不能被修復，石墨烯片層上會含有大量的含氧官能團（5-15%）。這種方法所生產的石墨烯，缺點是氧化還原的操作過程過程複雜繁瑣，廢酸廢水產生量太大，污染嚴重不容迴避。氧化還原法生產 1 克石墨烯會產生 200 克以上廢酸，甚至回收廢酸的成本比原料還要高，加上適用範圍有限，只有自廢武功重來才有機會。

nn中國的產業化走在世界的前面，不好的方面，是基礎研究沒有跟上，國外比較注重基礎研究，並不急於商業化，再過三五年，發展勢頭就會放緩，歐洲的優勢就會體現出來。如果已經達到那個地步，中國業者接著要怎麼辦呢? 我們願意做領頭羊，透過各地建置石墨烯產業園模式把石墨烯材料組合釋放出來，只要大家捐棄成見，形成共識，誰說企業不可能做這方面投入。

第十，給中國石墨烯產業化的建議為何？

nn答：

我認為要找資金不難，找到願意合作開發的出海口比較難，原因多半因這些大公司擔心技術外泄給競爭對手，情願自己買來蠻幹，但隔行如隔山，石墨烯的技術涉及太多不同領域，即使售價已經降到每克 3元，這些大公司往往缺乏跨領域技術無法突破而放棄。所以，我們正在推廣以合資公司進駐各省區經發區的模式尋求與各渠道領頭公司的合作，真正落實將石墨烯應用技術普遍實踐到各產業，不僅幫這些公司做到企業轉型的地步，也順勢引進當地高校優質課題組成立新創公司持續進行相關領域的研發，創造多贏的局面。

有時候，正確的道路總是崎嶇不平的，但只要是對的，就得堅持走下去。目前國內要淘汰過剩產能，眾多傳統化工產品開工率低、價格已到歷史谷底，石墨烯的商業化更是充滿煎熬和挑戰。我們已經找到正確的道路，希望政府能大力支持這些想法去引導各地產業聯盟「做對的事」，相信這才是國家之福、人民之福。