石墨烯，是當(dāng)前世界上最薄、最輕、最硬、導(dǎo)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1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。在電子、航天軍工、新能源新材料等領(lǐng)域也有著廣泛應(yīng)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(shù)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(yīng)用情況，首次將兩個發(fā)布主題聚焦于同一領(lǐng)域，并基于權(quán)威數(shù)據(jù)庫分析，對兩者未來的發(fā)展趨勢作出研判。
石墨烯超級電容器技術(shù)：中國處于快速增長期
當(dāng)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(guān)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(xué)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、充電時間短等優(yōu)點，被賦予較大期待。石墨烯超級電容器主要研究領(lǐng)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(shù)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(xué)物理學(xué)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(yīng)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(guān)技術(shù)專利平均在每年250項左右。中國的石墨烯超級電容器領(lǐng)域技術(shù)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。
記者發(fā)現(xiàn)，在石墨烯超級電容器技術(shù)專利權(quán)人排名中，前25名專利權(quán)人中數(shù)量最多的是來自中國的機構(gòu)(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(xué)院、韓國三星公司、美國Nanotek儀器公司和浙江大學(xué)。
“從產(chǎn)業(yè)技術(shù)情報發(fā)布的內(nèi)容來看，我們國家在石墨烯領(lǐng)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。”清華大學(xué)化工系教授騫偉中說。
他介紹，目前石墨烯的主要制造市場和應(yīng)用市場均在中國，國內(nèi)的眾多機構(gòu)在該領(lǐng)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)展和研發(fā)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(lǐng)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(lǐng)域技術(shù)更多地集中在高校實驗室，離產(chǎn)業(yè)化還有一段路要走。我們國家應(yīng)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
石墨烯因其特殊的納米結(jié)構(gòu)，優(yōu)良的光學(xué)、電學(xué)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，并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(xué)及生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的重要研究方向，已廣泛應(yīng)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。”國家納米科學(xué)中心博士研究生史濟東說。
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(lǐng)域研究的重點集中在以下兩個方面：一是石墨烯電化學(xué)生物傳感器，包括安倍型傳感器、電化學(xué)發(fā)光型和場效應(yīng)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(biāo)志物等)、DNA傳感器、蛋白質(zhì)傳感器等;二是石墨烯光學(xué)生物傳感器，包括熒光傳感器和基于共振能量轉(zhuǎn)移傳感器。
石墨烯用于生物傳感器領(lǐng)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(shù)孕育期;隨著2010年英國曼徹斯特大學(xué)物理學(xué)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(xué)獎，全球石墨烯用于生物傳感器領(lǐng)域的SCI發(fā)文量增長趨勢逐漸明顯，其中2015 年SCI發(fā)文量突破了2300篇，相關(guān)技術(shù)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(guān)研究，其中中國、美國、印度等10個國家和地區(qū)在石墨烯用于生物傳感器領(lǐng)域的SCI發(fā)文量占總量的81.61%。其中中國在該研究中占有明顯優(yōu)勢，發(fā)文量占全部論文的47.76%;位居第2位的是美國，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(lǐng)域的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(xué)、中科院長春應(yīng)用化學(xué)研究所、清華大學(xué)和中科院上海應(yīng)用物理研究所4家機構(gòu)，可以看出中國在該技術(shù)領(lǐng)域擁有一定的技術(shù)優(yōu)勢。
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