芯耀
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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(wěn)穩(wěn)站在上面；用石墨烯做的手機電池，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(fā)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(chǎn)業(yè)情報研究中心主辦的第 20 期《產(chǎn)業(yè)技術情報》發(fā)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(fā)布主題聚焦于同一領域，并基于權威數(shù)據(jù)庫分析，對二者的未來發(fā)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(fā)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(huán)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(fā)展需求越來越大。而解決其制動能量回收系統(tǒng)的問題是產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關鍵之一，因此產(chǎn)業(yè)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(yōu)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(wěn)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(fā)現(xiàn)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(fā)展，專利年發(fā)表數(shù)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(fā)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(jù)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(qū)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?qū)＠偭康?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(qū)，競爭較為激烈。
記者發(fā)現(xiàn)，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(shù)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(fā)表專利數(shù)量最多的專利權人均是企業(yè)。
“從產(chǎn)業(yè)技術情報發(fā)布的內(nèi)容來看，我們國家在石墨烯領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(nèi)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(fā)展很研發(fā)的較為集中的地區(qū)，未來 5 年到 10 年這些地區(qū)還將在石墨烯領域進行大力布局。
“從產(chǎn)業(yè)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(chǎn)業(yè)化還有一段路要走，我們國家應推動高校和企業(yè)的銜接，大力推動石墨烯電容器的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。”騫偉中建議。
石墨烯生物傳感器：中國 SCI 發(fā)文量位列第一
自 2004 年被發(fā)現(xiàn)以來，石墨烯因其特殊的納米結構以及優(yōu)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(zhì)以及細胞等。
“生物傳感器是生命分析化學及生物醫(yī)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(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。”史濟東說。
據(jù)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(fā)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(zhì)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(fā)文年代分布呈現(xiàn)出如下特征，2005 年至 2009 年發(fā)文量相對較少，年發(fā)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(fā)文量增長趨勢逐漸明顯，2015 年 SCI 發(fā)文量突破了 2300 篇，相關技術進入快速成長階段。
統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，全球共有 85 個國家和地區(qū)開展了石墨烯用于生物傳感器的相關研究，其中 SCI 發(fā)文量前 10 位國家依次是中國、美國、印度、韓國、伊朗、中國臺灣、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(fā)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(yōu)勢，其發(fā)文量占全部論文的 47.76%，位居第 2 位的是美國，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域 SCI 論文屬于 ESI 高被引論文有 345 篇，來自 35 個國家和地區(qū)。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(fā)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(yōu)勢。
