1 材料之王：石墨烯

石墨烯是目前世界上已知最薄（单层原子结构）、强度最强、导电性和导热性最好的材料，应用领域极其广泛，因此被称为“会改变世界的材料”，“材料之王”。石墨烯产业也成为各国竞争的新材料领域之一。

视频：石墨烯 by 中国工程院化工、冶金与材料工程学部

自 2004 年石墨烯在实验室中问世以来，全球范围内和石墨烯相关的研究和产业应用持续增多，中国、英国、日本、韩国等国家不断加大在石墨烯方面的研究投入。截至 2018年，中国石墨烯专利数量在全球的占比超过 58.6%（来源：头豹研究）。中国已经实现了石墨烯在防腐涂料、储能材料、手机散热膜领域的规模化应用。但在柔性触控屏、压力传感器等附加值较高的领域仍有待研发。石墨烯产业在等待“杀手锏级”的应用。

2015 年 10 月发布的《中国制造 2025》明确了石墨烯在战略前沿材料中的关键地位，强调其战略布局和研制，努力实现石墨烯产业“2020 年形成百亿产业规模，2025 年整体产业规模破千亿”的发展目标。

中国石墨烯市场规模由 2014 年的 1.4 亿元快速增长至 2018 年的 274.5 亿元，年复合增长率为 274.2%。中国石墨烯行业市场规模在 2023 年有望突破 3,700 亿元。

图片：石墨烯市场规模和增速 by leadleo

截至2020年6月底，在工商部门注册的，营业范围包括石墨烯相关业务的企业，全国范围内达到了16,800家，全国已经成立29个石墨烯产业园，54家石墨烯研究院，石墨烯产业创新中心有8个，联盟有12个，分布在21个省市。可以说在中国还处在“石墨烯热”之中。

而在全球范围，2022年石墨烯产业规模将达到1,500亿欧元。(来源：北京石墨烯研究院院长刘忠范院士）

2  终极能源：氢气

氢气已经是一种重要的工业原料，被广泛应用于炼油化工、合成氨（氨是化肥工业和基本有机化工的主要原料）、甲醇、冶铁各个工业领域。2018 年全球氢气消费量高达 1.15 亿吨，炼化的氢气消费量为3,800万吨，占比33%，煤化工涉及的合成氨和甲醇分别占氢气需求的 27%和 10%。

氢能是一种高效、清洁的能源形式，被认为是终极能源。与传统化工燃料汽油、柴油相比，氢能具有四大优势：

• 较高的含能特性。除核燃料外，氢的燃烧热值居所有化工燃料榜首，约为汽油的三倍。
• 较高的能源转化效率。氢能汽车比汽油汽车总的燃料利用效率可高 20%。
• 碳的零排放，排放的是纯净水。
• 取之不尽用之不竭。氢是宇宙中含量最多的元素，大约占据宇宙质量的 75%。

视频：氢能，赋予未来 by 经济学人

然而，目前制约氢气作为动力燃料取代汽油主要为储存的成本。一旦储氢技术取得突破，氢气必将成为交通动力领域的终极燃料，有极大的需求。根据国际能源署（IEA）的预测，2025年全球对氢气的需求为3亿吨，超过1.2亿吨将用于发电以及氢能源车。

3 全球减碳，势在必行

“减碳”已经成为全球发达经济体的共识。美国、欧盟、英国、日本均承诺到 2030 年实现碳排放量不同程度的减少，到2050年实现碳中和。中国在今年9月21日的联合国大会上做出了新的承诺，明确了两个减排目标：CO2 排放力争在 2030年前达到峰值停止增长，并比 2005年的CO2排放水平减少至少 65%；力争在 2060 年前实现碳中和，被简称为“碳达峰、碳中和”或“双碳承诺”。

4 石墨烯当前的窘境：制备

量产石墨烯必须同时具备“质”和“量”的要求。传统的石墨烯制备方法主要包括机械剥离法、液相剥离法、氧化还原、气相沉淀法、碳化硅外延生长法。这些传统制备方法普遍存在一定的缺点。从剥离法和氧化还原法得到的石墨烯粉体中的缺陷较多，质量较低，而从传统化学气相沉积法、碳化硅外延生长法得到的石墨烯产量较低，成本高。目前，还没有被广泛应用的高质量、无污染、无排放、低成本的量产技术。

5 氢当前的窘境：排放

在氢作为终极能源被应用在发电和汽车动力之前，炼化和煤化工业是当前的用氢大户。化工过程的二氧化碳排放可分为能源相关排放和工业过程排放。随着未来可再生能源替代的推进，能源相关排放会大大缩减，过程排放或将成为决定产品碳排放压力的核心因素。炼化和煤化产品形成过程中的碳排放主要来自于制氢过程。

由于煤制氢在现阶段拥有绝对的成本优势，无论炼化还是煤化工均首选煤制氢装置。但用煤制氢制 1 吨氢气将排放多达23吨的二氧化碳。短期内的煤制氢成本优势是建基于没有“碳税”或者无碳排放限制。但在“碳中和”背景下，长远看，其成本会大幅度上升。大炼化和煤化工企业需要选择新的制氢路径。

目前以四类制氢方式为主：化石燃料制氢、工业副产物制氢、电解水制氢、生物质及其他制氢方式。从供给端来看，天然气制氢在全球的占比最大，达 45%，其次是工业副产氢，占比 41%，煤炭制氢占比 13.6%。但煤制氢因其极其廉价的成本在我国占比高达 62%，天然气制氢占19%。

可再生能源电解水制氢长远看固然是最理想的制氢方式。然而，即使有温室气体排放的限制、“碳税”成本的增加，以及光伏和风能等可再生能源发电成本的下降，可再生能源电解水制氢也要在20年后才能与化石燃料制氢平分秋色。中短期内，化石燃料制氢仍然占据主导，减少下游产业的碳排放要靠减少化石燃料制氢的碳排放实现。

6 颠覆性的氢气与石墨烯共生量产技术

天然气主要成分为甲烷 (CH4)。石墨烯是一层结构的碳原子连接而成，氢气是氢原子两两结合而成。如果有方法能够低成本的将甲烷充分裂解，把碳和氢巧妙分离，同时把碳排列成二维结构，不仅仅没有任何碳排放，而且得到了两种极具价值和应用前景的材料：石墨烯和氢气。

本项目采用的鼓泡法化学气相沉积技术制备石墨烯，是一种颠覆性的“高纯度氢气和石墨烯共生量产”技术，拥有100%的知识产权。本项目已经落户上海宝山区，并成功中试。有望实现利用天然气大规模、高质量、低成本、零温室气体排放的制备石墨烯。为石墨烯下游的大规模应用奠定基础。

本技术的优点包括：

1）天然气的高裂解效率；

2）能够获得高纯度氢气，以及高质量，低成本的石墨烯；

3）绿色制备过程，天然气全分解，无温室气体排放；

4）所采用的鼓泡法化学气相沉积技术还可用于多种材料地制备。

使用本技术，每消耗天然气4.5吨和1万度电，就可以生产出1吨的氢气和3吨石墨烯。按照目前市场价格1吨氢气价值为1.6万元。石墨烯按照目前市场上的最便宜价格 500元/公斤，3吨石墨烯价值为150万元。氢气按照目前煤制氢的价格计算（实际上未来煤制氢成本会因为碳排放的限制大幅度增加）。而主要成本为4.5吨天然气（1.8万元）以及1万度电（1万元）。产品价值是原料价值的54倍。目前已经具有一条年产10吨石墨烯的中试生产线。

7  项目亮点

1. 石墨烯作为基础新材料将被广泛应用工业领域，是一个比较明确的长期趋势。下游应用研究井喷、杀手锏级应用呼之欲出，必将催生对高质量低成本石墨烯的巨大需求。通过该项目可以帮助我们部署整个石墨烯时代。
2. 我国在未来20年内，化石燃料制氢仍然是主流，而炼化和煤化工业减碳的关键是使用无排放的氢气制备方式。本项目利用天然气制备氢气无任何碳排放，而得到的固态碳是极具价值的石墨烯。
3. 项目创始人回国前于德克萨斯州立大学任副教授，目前任职于中科院微系统与信息技术所，有20年材料研究的经验，石墨烯领域顶尖专家，是化学气相沉积法生长石墨烯的开拓者，第一个使用铜衬底气相沉积石墨烯，现已成为石墨烯薄膜生长的最重要方法。发明人工种子方法生长石墨烯单晶整列，并获得美国专利。第一次实现可控石墨烯晶圆尺寸大单晶生长。
4. 创始人，不仅仅是个科学家，还是一个有产业化经验和成功创业经验的连续创业者。
5. 颠覆性的石墨烯和氢气共生量产技术，已经通过中试验证，融资为了迈向大规模量产。
6. 获得中科院微系统所与上海石墨烯产业技术功能型平台投资并孵化。后者为上海市和宝山区市区联动打造的石墨烯研发与转化功能型平台，是上海建设具有全球影响力科创中心的“四梁八柱”之一。

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