全球科技趋势报告：石墨烯研发态势监测分析报告

9月8日，中国科学院文献情报中心和美国化学文摘社（Chemical Abstracts Service）联合发布了《全球科技趋势报告：石墨烯研发态势监测分析报告》中英文报告。

 

报告分别从石墨烯科研产出的发展趋势、研究主题布局、主题演进方向、国家地区分布、潜在竞争机构等，深度揭示全球石墨烯研发的主题布局及研发动向，并通过专家访谈，探讨了石墨烯的发展前景和未来面临的挑战。

 

报告认为：石墨烯的基础研究与技术应用在快速发展之中，全球石墨烯研发竞争日趋激烈，中国、美国、韩国、日本等主要的技术原创国家已逐渐形成技术优势和竞争格局。

 

石墨烯技术从基础研究逐渐向应用研发拓展，未来将在能源、生物、电子学等多个应用领域快速发展。

 

石墨烯整体研发趋势：论文及专利产出数量快速增长

 

全球共发表了7万余篇石墨烯相关的论文，2万余件石墨烯专利，2010年后石墨烯研发进入快速发展的活跃期。全球50%以上的石墨烯研究论文及专利主要集中在2014年至2016年。

 

近三年以来，论文发表及专利申请仍然保持上升的态势，石墨烯的基础研究与技术应用仍在快速发展之中（图1）。

 

图1 石墨烯相关专利和论文数量年度趋势对比

 

全球石墨烯竞争格局：中国、美国、韩国、日本已形成技术优势

 

论文产出的前五位国家为中国（不含港澳台地区）、美国、韩国、日本和印度论文总量占全球论文总量的64.3%，专利申请量前五位国家为中国、韩国、美国、日本和德国，五国专利总量占全球专利总量的90%以上。

 

中国、美国、韩国、日本等国家角逐石墨烯前沿应用技术，美国和日本发表相关论文及申请专利较早，中国论文和专利产出量已领跑全球。

 

图2 国家/地区分布

 

主要国家地区专利技术流向：美国、中国等成为主要的海外布局

 

从五个主要石墨烯专利来源国之间的专利申请流向上看，石墨烯专利流向美国、中国居多。中国专利申请量虽然高，但在韩国、日本、美国、德国仅有2.3%的专利布局；而韩国、美国、日本、德国在其他四个主要专利来源国分别有27.8%、24.8%、32.3%、45.3%的专利布局。相对而言，中国专利在其他国家的布局较为薄弱。

 

图3 主要国家地区技术流向

 

全球石墨烯研究领域分布：电化学等领域比重加大

 

石墨烯的研究论文和专利主要分布在电现象、电化学、放射及热能技术、光学、电子、质谱和其他相关属性、表面化学和胶体、硅酸盐等领域。

 

近来年，石墨烯的研发在电化学、放射及热能技术领域，光学、电子、质谱和其他相关属性领域，生物化学方法，塑料生产与加工，电化学等领域的研究比重逐年增大。

 

图4 全球石墨烯研究领域发展趋势

 

石墨烯涉及物质的性能用途：应用研究比重最大

 

全球石墨烯涉及物质的性能用途分布，39.9%的物质为应用研究（USES），包含技术工程材料（TEM，Technical or Engineered Material Use）、改性剂或添加剂（MOA，Modifier or Additive Use）、催化剂（CAT，Catalyst Use）及其他应用（NUU，Other Use, Unclassified）等。

 

图5 全球石墨烯研究文献中涉及物质的主要性能及用途分布

 

全球石墨烯研发主题布局：从基础研究向应用研究拓展

 

当前石墨烯材料和应用技术形成了相对固定的领域布局，主要分布在电学性能研究、石墨烯复合材料、材料性能与制备、聚合物、传感器、半导体器件、电池、电容器等领域。

 

图6 全球石墨烯研究热点主题分布

 

前景、机遇与挑战

 

报告指出，石墨烯在二次电池、超级电容器等储能器件领域已经引起学术界特别是产业界越来越多的关注，部分含有石墨烯的产品已经处于试用阶段。

 

石墨烯作为电极材料的组成部分在太阳能电池、燃料电池等领域也引起广泛的关注，相关研究正在从基础研究逐渐向应用研发拓展。

 

此外，石墨烯作为导热、散热材料在热管理领域也有良好的应用前景。尤其吸引人的是石墨烯在柔性能源器件中的应用将有可能凸显石墨烯自身的结构与性能优势，为未来柔性能源器件提供材料支撑。从技术突破角度，石墨烯电极材料的研发为本领域未来的研究重点方向。

 

未来石墨烯在生物应用领域，石墨烯传感材料及器件的研发逐渐引起学术界与产业界的高度重视，尤其基于石墨烯材料的生物传感器用于生物检测、生理监测、疾病诊断、环境及食品检测等领域的应用潜力进入研究视野。

 

未来在电子学应用领域，基于石墨烯的集成电路与半导体器件将给现有的半导体工业注入新的活力，提高给社会更多的高技术产品与想象空间。