石墨烯可行性研究报告

石墨烯项目可行性研究报告

青岛华高能源科技有限公司

二零一三年六月

目录

第一章总论 (1)

1.1项目提出背景 (1)

1.1.1石墨烯生产产业市场前景可观 (1)

1.1.2“十二五”时期新材料产业规模将不断扩大 (1)

1.1.3本次项目的提出 (2)

1.2项目概要 (2)

第二章项目必要性及可行性分析 (3)

2.1项目建设的必要性分析 (3)

2.1.1资源合理利用变废为宝的需要 (3)

2.1.2带动相关产业链发展的需要 (4)

2.1.3带动当地经济快速发展的需要 (4)

2.2项目建设的可行性分析 (4)

2.2.1符合国家产业政策及发展规划 (4)

2.2.2具备一定的资源优势 (5)

2.2.3具备技术可行性 (5)

2.3分析结论 (5)

第三章行业市场分析 (6)

3.1国内外研究情况分析 (6)

3.1.1 美国石墨烯的研发规划 (6)

3.1.2 欧盟及成员国石墨烯的研发规划 (7)

3.1.3 日本石墨烯的研发规划 (7)

3.1.4 韩国石墨烯的研发规划 (7)

3.1.5 国内主要石墨烯研究机构情况 (7)

3.2石墨烯生产应用情况与发展前景分析 (8)

3.2.1半导体产业应用市场分析与预测 (8)

3.2.2锂离子电池材料应用市场分析与预测 (9)

3.2.3超级电容器应用市场分析与预测 (10)

3.2.4显示器应用市场分析与预测 (11)

3.2.5石墨烯在生物医药学领域的应用 (11)

3.3市场小结 (13)

第四章产品方案及技术 (14)

4.1主要产品 (14)

4.2产品简介及生产规模确定 (14)

4.3技术来源及优势 (14)

4.4技术方法和路线 (14)

第五章设备选型及原料供应 (15)

5.1主要设备选型 (15)

5.2主要原材料供应 (15)

第六章环境保护 (16)

6.1项目运行对环境的影响 (16)

6.2环境保护措施方案 (16)

第七章企业组织机构与劳动定员 (17)

7.1组织架构 (17)

7.2劳动定员 (17)

7.3员工培训 (17)

第八章项目实施规划 (18)

8.1项目建设进度安排 (18)

8.2项目运营进度规划 (18)

第九章投资估算 (19)

9.1固定资产投资估算 (19)

9.1.1需购置设备投资估算 (19)

9.1.2办公设备投资估算 (19)

9.2流动资金估算 (19)

第十章风险分析及规避 (20)

10.1项目风险因素 (20)

10.1.1管理风险 (20)

10.1.2技术风险 (20)

10.1.3市场风险 (20)

10.2风险规避对策 (21)

10.2.1管理风险规避对策 (21)

10.2.2技术风险规避对策 (21)

10.2.3市场风险规避对策 (21)

第十一章结论及建议 (21)

11.1 结论 (21)

11.2 建议 (22)

第一章总论

1.1项目提出背景

1.1.1石墨烯生产产业市场前景可观

2010年的诺贝尔物理学奖将石墨烯带入了人们的视线，石墨烯的发现开创了21世纪的新材料纪元，将给世界带来实质性的变化。

石墨烯是一种二维晶体，由碳原子按照六边形进行排布，相互连接，形成一个碳分子，其结构非常稳定。单层石墨烯只有一个碳原子的厚度，即0.335纳米，相当于一根头发的20万分之一的厚度。它是人类已知强度最高、韧性最好、重量最轻、透光率最高、导电性最佳的材料。

石墨烯是一种技术含量非常高、应用潜力非常广泛的碳材料，在半导体产业、光伏产业、锂离子电池、航天、军工、新一代显示器等传统领域和新兴领域都将带来革命性的技术进步。目前，石墨烯的市场售价在1000元/克以上，因此，一旦量产必将成为下一个万亿级的产业。

1.1.2“十二五”时期新材料产业规模将不断扩大

《新材料产业“十二五”发展规划》中指出：新材料产业是国家重要的战略性新兴产业，也是其他战略性新兴产业发展的基础。新能源、节能环保、新一代信息技术、生物、高端装备制造、新能源汽车等战略性新兴产业发展，离不开新材料的支撑。

尽管经过多年的努力，我国新材料产业已经在产业规模、技术水平、发展机制等方面取得了巨大进步，具备了良好的发展基础，但总体自给率依然不高，粗略统计，目前我国新材料产品综合保障能力约50%左右，部分关键材料甚至完全依靠进口。

因此，《规划》将新材料产业在“十二五”期间的发展目标定为自给率达到70%。《规划》安排的每个重点子行业都有望通过5到10年的时间形成千亿元至万亿元的产值规模，未来的行业产值有望达到数万亿元。

1.1.3本次项目的提出

本次项目即是在做了一定市场预测分析及调查的基础上，结合我国新材料产业“十二五”发展政策而提出。

项目将由大学教授作为首席专家、总工程师，组建高水平的科研团队，并配备一流的技术设备及研发环境。教授有近6年的石墨烯研发经验，发表有关石墨烯的高水平SCI论文15篇和一部专著，申请有关石墨烯的发明专利3项。

目前，教授研发的“以高分子作为媒介”的石墨烯制备方法已在实验室成功分离出大尺寸、低缺陷、高导电的石墨烯。本次项目将以该制备方法为技术核心，致力于单层石墨烯及其衍生产品的分离制备及应用开发，争取尽快实现石墨烯的产业化。

1.2项目概要

该项目将采用教授研发的先进而成熟的石墨烯制备方法进行单层石墨烯的产业化生产，该方法已在实验室成功制备出大尺寸、低缺陷、高导电性的石墨烯，现将进入企业中试阶段，中试试验成功后，将实现数百公斤优质石墨烯的年产量。

第二章项目必要性及可行性分析

2.1项目建设的必要性分析

2.1.1资源合理利用变废为宝的需要

石墨是一种宝贵的不可再生资源，是我国的优势矿物资源之一。我国的天然石墨资源储量、产量、国际贸易量均居世界首位，在国际石墨市场上有着举足轻重的地位。

我国虽是石墨生产大国，但不是强国。产品的专业化、质量水平、技术含量较低，大部分是初级的原料生产基地。目前，国内石墨产业处于低迷状态，开采无序、资源浪费、恶性竞争、市场混乱、污染环境，整个行业都处于层次低、效益差、资金匮乏，与我国整体经济发展极不相称。

随着科技的发展和人们物质生活的提高，非金属矿的初级加工产品已不能满足现代工业的需要。由于非金属矿深加工产品的附加值比较高，延伸非金属矿产业链，已成为当今世界非金属矿工业发展的主要方向。目前，我国石墨产品深加工正朝着提纯、超细、改性和复合方向发展，加工产品的应用领域还在不断拓宽，并呈现出方兴未艾的好势头。但从总体上看，与发达国家相比、与国内的实际需要相比还有很大差距。

基于以上分析，项目拟对石墨进行深加工，利用独特的方法从石墨中制备出高品质的石墨烯产品，探索石墨烯产业化道路，为企业的可持续发展奠定坚实的基础，从根本上增强企业的市场竞争力，使企业成为设备先进、市场适应性强的石墨烯行业生产企业。

2.1.2带动相关产业链发展的需要

石墨由于特殊的地质成因和性质，一直是军工与现代工业及高新技术发展中不可或缺的重要战略资源。从日常民用到人造卫星上天，都离不开石墨。国内外专家预言“20世纪是硅的世纪，21世纪将是碳的世纪”。

石墨烯产品的大规模广泛应用，将颠覆人类现有的工业结构和生产力布局，逐步减少乃至淘汰钢铁、铜铝等人类现有高耗能大宗商品的生产和消费，如同爱迪生发明的电灯摧毁了整个蜡烛生产的产业链，石墨烯产品在机械汽车船舶制造、光纤通讯、电缆传输、桥梁房屋建筑、高科技领域的广泛应用，将改变21世纪人类的生产和生活。

2.1.3带动当地经济快速发展的需要

石墨烯因其独特的特性可被广泛应用于军工、航天、锂离子电池、显示器、半导体及复合材料等行业，且目前售价在1000元/克以上，项目正式运营后，年产值可达到上亿元。

因此，项目的实施将极大的增加地方利税，有效促进当地经济发展进程。

2.2项目建设的可行性分析

2.2.1符合国家产业政策及发展规划

根据《国家战略性新兴产业发展“十二五”规划》，新一代信息技术、生物、节能环保、高端装备制造产业将成为支柱产业，新能源、新材料、新能源汽车产业将成为先导产业。

石墨烯作为一种技术含量非常高、应用潜力非常广泛的新型碳质材料，具有优秀的导电性、比表面积、导热性等特性。因此，其产业化项目符合国家相关的产业政策及发展规划。

2.2.2具备一定的资源优势

高纯度的石墨是制备石墨烯的主要原料。中国石墨在世界上储量第一、产量第一、销量第一、品种最全。我国石墨矿产储量占世界石墨矿石总储量的70%以上，产量占全球产量的80%。

中国石墨矿产储量相对集中于黑龙江、四川、山东、河南、内蒙古等地，共占全国石墨矿保有矿物储量的89%。因此，项目的实施具备一定的资源优势，山东地区丰富的石墨矿资源可为项目的实施提供充足的原材料供应。

2.2.3具备技术可行性

完美的石墨烯，也就是单层碳原子二维结构体，目前还没有大规模的工业化生产。在如何有效分离出单层石墨烯并降低成本的道路上，来自教授和他的团队已经迈出了关键一步。通过两年的研究，教授发明了新的石墨烯制备方法，在实验室不仅制备出了高品质的石墨烯，而且相应的降低了生产成本。

项目组建以后，将由教授担任首席专家、总工程师，带领团队致力于石墨烯的产业化研究。教授有近6年的石墨烯研发经验，发表有关石墨烯的高水平SCI论文15篇和一部专著，申请有关石墨烯的发明专利3项。现主持国家自然科学基金等8项科研项目,其中包括两个产业化项目，总经费400多万元。

因此，项目的实施将具有国内一流的石墨烯研发水平，具备技术可行性。

2.3分析结论

综合以上因素，本项目建设可行，且十分必要。

第三章行业市场分析

3.1国内外研究情况分析

石墨烯的发现，引发了全世界科学家的研究热潮，迅速成为物理学、化学和材料科学等领域最热门的研究主题。石墨烯的研究和产业化发展持续升温，国外许多国家都发布或资助了一系列相关研究计划和项目，大力促进本国石墨烯技术及其应用研究。

全球针对石墨烯的研究都在进行，截至到2010年，全球共有8434篇相关的研究论文，共来自79个国家和地区。排名前十的国家发表的文献量占总量的92.96%。美国在作为世界科学技术研究最发达的国家，其石墨烯研究方面的文献量达2683份，占总量的31.81%；我国在石墨烯研究文献发表量为1201份，占比14.24%，位居全球第二位。显示出了我国在石墨烯领域不居人后，积极布局的决心。

国际上石墨烯的研究论文主要分布在高分子物理学、材料科学以及应用物理学等领域；研究的热点主要在材料的导电性、导热性、石墨烯的制备研究及纳米材料研究等方向。

中国发表的石墨烯论文主要分布在材料科学、物理化学、纳米技术、应用物理学以及高分子物理学等领域；研究的热点主要在纳米材料、材料应用研究等方向。

3.1.1 美国石墨烯的研发规划

近年来，美国国防部(DoD)及其下属美国国防高级研究计划署(DARPA)等也开展了多项石墨烯研究项目，重点开发下一代更小、更快的电子器件，以及石墨烯在太赫兹和新型量子器件中的应用

等。

在产业化方面，美国也部署了一些项目：美国俄亥俄州研究商业化资助项目资助美国纳米技术仪器公司开展应用于锂离子电池的纳米石墨烯复合电极的商业化生产研究；美国结构材料工业公司2009年11月获得NSF小型企业技术转移项目资助，开发以石墨烯为基质的高灵敏度NOx探测器。

3.1.2 欧盟及成员国石墨烯的研发规划

欧盟也非常注重石墨烯的研究发展，FP7框架计划、欧洲研究理事会、欧洲科学基金会等都资助了石墨烯相关技术的研究。例如，《欧盟FP7框架计划》2008年1月发布了石墨烯基纳米电子器件项目；欧洲研究理事会(ERC)资助了石墨烯物理性能和应用研究项目；欧洲科学基金会(ESF)2009年6月启动了欧洲石墨烯项目(EuroGRAPHENE)；欧盟2011年5月启动了石墨烯旗舰项目(Graphene Flagship)等。

3.1.3 日本石墨烯的研发规划

日本近年也资助了一系列石墨烯相关研发项目，如：硅基体上石墨烯材料/器件的技术开发项目的资助；碳纳米管和石墨烯的批量合成技术项目资助。

3.1.4 韩国石墨烯的研发规划

近年来，韩国政府也积极支持本国机构开展石墨烯相关研究。2007－2009年间，韩国教育科学技术部等部门累计资助了90项相关研究，经费达到1870万美元。2012－2018年间，韩国知识经济部预计将向石墨烯领域提供2.5亿美元的资助，其中1.24亿美元用于石墨烯相关研发，1.26亿美元用于相关商业化。

3.1.5 国内主要石墨烯研究机构情况

目前，国内还没有能够实现石墨批量化生产的企业或研究机

构，多数企业只能小量生产石墨烯，所使用的生产技术多为氧化还原法，生产出的石墨烯溶液也存在很多技术上需要突破的问题。

3.2石墨烯生产应用情况与发展前景分析

石墨烯的高强度、高导电性及传热性、超大的比表面积等特性

能够在航天军工、锂离子电池、超级电容器等多领域有潜在应用。

石墨烯目前国内的售价在1000元/克以上。石墨烯凭借其特殊的

物理结构和特质，在多个领域都将带来革命性的变革，一旦量产必

将成为下一个万亿级的产业。

3.2.1半导体产业应用市场分析与预测

石墨烯拥有比硅更高的载流子迁移率（即载流子在电场作用下

运动速度快慢的量度），是一种性能非常优异的半导体材料，电子

在石墨烯中的运行速度能够达到光速的1/300，未来很可能成为硅的

替代者，成为半导体产业新的基础材料。

全球半导体晶硅的市场发展稳定，据半导体协会统计，2012年

全球电子多晶硅的需求量在2500吨左右。

石墨烯集成电路技术的成熟将会带来一次新的革命。如果全球

每年有十分之一的高端计算机应用石墨烯基集成电路，那么替换多

晶硅所需要的石墨烯就需要250吨，按照市价1000元/克计算，石墨烯在集成电路领域的潜在市场就达到了2500亿元以上。

图3-1 2001-2012年全球电子类多晶硅需求量

3.2.2锂离子电池材料应用市场分析与预测

实验表明，将石墨烯应用于锂离子电池的负极材料中，其比容量可以达到540mAh/g以上，如果在其中参入碳纳米管后，负极的比容量可以达到730mAh/g，而目前普通的人造石墨负极的比容量只有370mAh/g，可见石墨烯作为负极材料能够大幅提高锂离子电池性能。

随着世界各国对新能源汽车的大力推广，未来对于锂离子电池的需求量也将保持持续增长的态势；根据IEK的预测，2008-2013年全球的负极材料的需求量将保持年均20%的增长率，2013年全球的负极材料需求量将达到3.7万吨以上。

图3-2 2008-2013年全球负极材料需求量

石墨烯能够大幅提升锂离子电池性能，未来将在负极材料领域有广阔的市场前景。锂离子电池有提升自身性能的内在需求，这也使石墨烯在负极材料中的应用形成了促进。未来有1%的锂离子电池使用石墨烯负极材料的需求，那每年对于石墨烯的需求就在370吨以上。

3.2.3超级电容器应用市场分析与预测

由于超级电容器是通过导体表面来存储电荷，所以适合电子聚集的有效表面积越大其容量就越大；而石墨烯具有超大的比表面积，单层石墨烯的比表面积能都达到2630m2/g，是极为理想的超级电容器储能材料。

实验表明，使用石墨烯作为电极的超级电容器能够产生相同体积电容器6倍以上的容量，大大提高了超级电容器的性能。

目前全球超级电容器的应用领域主要集中在数码相机、电动车系统、变配电站、智能水表、太阳能发电和风能发电等领域；作为技术发展的方向，未来超级电容器的市场规模将保持快速增长，特别是在一些需要高功率、高效率的领域，超级电容器已经开始替代传统电池。

图3-3 2005-2010年全球超级电容器市场规模

2010年全球超级电容的市场规模达到50亿元，并保持着20%的增长速率。而石墨烯作为电极制成的超级电容器将在性能上有极大的提高，未来随着超级电容器的逐步推广，石墨烯也将面临巨大的市场空间。

3.2.4显示器应用市场分析与预测

目前的显示器和触摸屏等器件中的导体材料，主要是使用的氧化铟锡ITO材料。但由于ITO材料韧性相对较差，在折叠或是拉伸时可能会影响显像的效果。石墨烯由于其特殊的分子结构而有非常高的导电性，而且石墨烯几乎完全透明；这两种性质使得石墨烯本身就是一种性能非常好的透明半导体材料，适合用于制作显示器件。

石墨烯的另一个特性是具有高韧性，能够拉伸20%而不断裂。使用石墨烯作为导体材料，能够制成可以折叠、伸缩的显示器件。

目前触摸屏和液晶显示器主流的透明导体材料是ITO材料，但相比ITO材料，石墨烯拥有更高的强度和更好的韧性，作为透明导体材料，能够制成可以弯曲折叠的显示器件。

图3-4 未来石墨烯制成的可折叠显示器

3.2.5石墨烯在生物医药学领域的应用

近年来，石墨烯衍生物在生物医学，包括生物元件、微生物检

测、疾病诊断和药物输运系统等的应用前景，使其成为纳米生物医学领域研究的热点。

基于氧化石墨烯的纳米载药体系

石墨烯具有单原子层厚度，其两个基面都可以吸附药物，所以具有其他纳米材料无可比拟的超高载药率。

研究发现，将抗癌药物SN38吸附在氧化石墨烯（NGO）表面，可形成石墨烯-药物复合物（NGO-SN38），这种复合物具有良好的水溶性，表明其作为药物载体可以用于难溶性药物的增容，且复合物中SN38仍高度保持活性。体外实验发现，NGO—SN38可以有效地杀伤结肠肿瘤细胞HCT一116，其杀伤效果是CPT-11(依立替康，FDA通过用于治疗结肠癌的SN38药物前体)的近1000倍。

另外，基于石墨烯的药物载体还具有靶向输送和药物的可控释放等特性，因此，有望在临床上实现实际应用。

石墨烯用于生物检测

最近，研究人员报道了功能化的石墨烯在生物检测方面的一些进展，例如以石墨烯为基底的生物装置或生物传感器可以用于细菌分析、DNA和蛋白质检测。值得一提的是，与碳纳米管相比，石墨烯制备成本很低，且易于大规模生产，有望在生物检测方面实现实际应用。

石墨烯在肿瘤治疗方面的应用

科学家们研究了使用PEG包被荧光标签的纳米石墨烯片(nanographene sheets，NGS)在体内的作用。在活体内异种皮肤肿瘤移植荧光成像中NGS表现出了高肿瘤细胞摄取率。PEG功能化的NGS展现了在生物溶剂中的高溶解性和稳定性，同时被应用到体外

药物承载和成像。在这些基础上，他们第一次研究了PEG化NGS在小鼠体内荧光成像，同时在几种不同的异种皮肤移植肿瘤模型中观察到令人惊喜的肿瘤堆积变化，比如增强癌性肿瘤的通透性和记忆性效应(EPR)。

相比于碳纳米管，PEG化的NGS展现了一些有趣的体内表征现象，包括高效率肿瘤被动靶向识别以及在材料网状内皮组织中相对较低残留。之后利用体内光热疗法中NGS在NIR光区的高光吸收，在静脉注射NGS并在肿瘤移植部位用低强度NIR激光照射后得到了极为高效的肿瘤消除。

此外，在毒性研究中，PEG化NGS注射小鼠后组织学、血液化学和全血分析结果表明没有产生明显的副作用。尽管对这种新型碳纳米材料在体内表现还需要更多的认知以及长期的毒性研究，但是使用碳纳米材料有效地用于通过静脉处理的体内光热疗法，提供了石墨烯在诸如肿瘤治疗的生物医学领域应用的更大潜力。

3.3市场小结

通过以上分析，可以得知当前国内外石墨烯产业背景较好，我国发展石墨烯生产产业政策及市场需求前景可观，市场潜力较大。投资该产业面对较强的市场可行性、经济收益可行性，因此该项目的实施不仅可以促进我国新兴石墨烯生产产业的快速发展，还可有效满足当前市场需求，促进我国相关产业链快速发展，具有良好的社会效益和经济效益，同时对于促进经济社会可持续发展有着长远的意义。

第四章产品方案及技术

4.1主要产品

本次项目主要是采用热还原法生产单片石墨烯及其相关衍生产品，并在此基础上，探索单片石墨烯及其相关衍生产品在石墨烯导电材料及导电复合材料、储能材料、润滑材料导电油墨等领域中的应用。

4.2产品简介及生产规模确定

项目生产的石墨烯产品将具有尺寸大、层数少、缺陷低、导电性强等优点。

企业中试实验室建立以后，将进一步优化石墨烯生产方法，逐步摸索出最佳的、效率最高的单片石墨烯生产配方。进一步优化中试装置生产工艺参数，努力将其生产能力提高50倍以上，争取年生产能力达到200kg以上。

4.3技术来源及优势

本次项目的核心技术来源于青岛大学，目前，双方已正式签定《石墨烯产业化技术开发合同》。项目依托青岛大学强大的研发实力，组织专业的研发团队，致力于石墨烯的产业化研究。

项目将由教授担任首席专家，其具有国内一流的石墨烯研发水平，其带队研发的石墨烯制备方法已在实验室取得成功，现已进入实验室中试阶段，中试设备已经到位，正在进行安装和试运行，主要是调试配方和工艺。

4.4技术方法和路线

石墨烯制备的简化流程如下图所示。

首先用氧化法将石墨微粉氧化制备氧化石墨，然后将氧化石墨剥离制备单片氧化石墨烯，最后将单片氧化石墨烯直接热还原为单片石墨烯。

第五章设备选型及原料供应

5.1主要设备选型

项目实施的主要原材料为高纯度的石墨微粉，由于山东是国内石墨矿的集中地之一，有着丰富的石墨资源，因此，项目的原材料可在当地市场采购，且货源量充足，完全能够满足项目产业化需求。

第六章环境保护

6.1项目运行对环境的影响

该项目研发制备过程不产生有害气体和粉尘，且所采用的设备先进、噪音低，符合国家环保要求，属于节能环保项目。严格按照国家及地方有关环境保护方面的标准和规定，凡本项目中所涉及的可能产生污染物的工艺过程及设备，均采用相应的措施进行治理，使其达标。

项目运行期间的主要污染来源为实验中的废液。

6.2环境保护措施方案

针对项目中所产生的污染物-废液，项目组专门制定废液回收制度，将实验所产生的废液定期回收、集中处理，以避免对周边环境的污染。