深度揭示全球石墨烯研发的整体布局及研发动向

该文旨在把握全球石墨烯研发的整体布局和发展趋势。依托美国化学文摘社提供的结构化文献信 息数据,利用计量分析及文本挖掘等方法,该文分析了石墨烯科研产出的发展趋势、研究主题布局、主题 演进方向、物质性能用途分布、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,为科学家、科研决策者、科研管理专家、政策专家、产业专家、企业及投资管理者提供有价值 的参考,有助于掌握科研布局和动向。
1 引言
在国际视野下,知识与创新的世界版图出现新格局,科技创新活动的全球分布及研发模式正在发生新变化,洞悉全球新兴科研领域的整体布局,把握世界科技发展趋势,是国家决策者、科技政策研究者及科学研究者长期关注的问题。对关键科技领域的发展态势的现状及其变化进行动态监测与跟踪,并进行客观、科学与系统的研究与剖析,是科研管理者长期关注的问题之一。
新材料产业是战略性新兴产业的基础产业。作为新材料界的璀璨明珠,石墨烯具有优异的电学、热学、光学等性能,在能源、环境、电子、生物等多个领域具有良好的应用潜力,成为主导未来高科技竞争的重要战略 材料,引起了全球广泛的关注。世界各国纷纷将石墨烯及其应用技术研发作为长期战略予以重点关注,相继开展了大量石墨烯研发计划和项目并进行差异化研发布局,力争占据关键科技领域的制高点,形成科技、产业和经济的国际竞争优势。
为把握全球石墨烯研发的整体布局和发展趋势,在中国科学院发展规划局的指导下,中国科学院文献情报中心与美国化学文摘社(CAS)合作,依托美国化学文摘社提供的结构化文献信息数据,利用计量分析及文本挖掘等方法,分析了石墨烯科研产出的发展趋势、研究主题布局、主题演进方向、物质性能用途分布、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。
2 数据及方法
2.1 数据来源
本文的分析对象为美国化学文摘社提供的石墨烯相关的论文及专利文献,截至2016年4月5日,共获取到78 756 篇论文,23 057件专利(指专利申请量)。通过人工辨析解读后,开发数据解析工具将原始数据生成可分析的结构化数据。CAS所提供的出版物标引是本研究报告的基础,报告中利用CAS所提供的主题标引、概念标引、物质标引、商业或政府机构标引、出版来源标引和其他多种标引数据,对不同时间段石墨烯研究及其后续开发相关信息进行了对比研究。
2.2 研究方法
论文在某种程度上代表了基础研究的成果, 专利文献更多地体现了产业技术成果。CAS数据对论文和专利的统一标引有利于发现研究成果与产业技术成果中全部的技术主 题,并有助于对比分析基础研究与产业技术之间的关系。
本文用定量分析方法分析了石墨烯科研产出的发展趋势、研究主题布局、国家/地区分布、潜在竞争机构等。此外,充分利用CAS对专利和论文数据的多维度、多层级共标引特性,采用共词对比分析、文本聚类技术、 共词网络分析、专利分析等方法对石墨烯领域的技术主题进行多维度组合分析。同时结合时间切片,对石墨烯主题演进进行了深度分析和挖掘。
3 石墨烯研发整体态势
2004年,石墨烯的成功分离激发了全球范围内的石墨烯研发热潮(图1),论文及专利量在2005、2006年增长速度加快,2007年开始,论文及专利量快速增多;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3 年以来,论文发表及专利申请仍然保持上升的态势,表明石墨烯的基础研究与技术应用仍在快速发展之中。
从石墨烯论文的国家/地区分布上看,论文产出的前5位国家为中国(数据没有涵盖港澳台地区,下同)、美国、韩国、日本和印度,该5个国家的论文总量占全球论文总量的64.3%。从石墨烯专利申请区域分布上看,专利申请量前5位国家为中国、韩国、美国、日本和德国,5国专利总量占全球专利总量的90%以上。
对5个主要石墨烯专利来源国之间的专利申请流向进行分析,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4国的专利布局占比仅有2.3%;而韩国、美国、日本、德国各自在其他4国的专利布局占比分别为27.8%、24.8%、32.3%、45.3%。相对而言,中国专利在其他国家的布局较为薄弱。
对全球石墨烯研究机构进行分析,发现论文产出数量前10的机构中,来自于中国的机构共5个,在数量上占有优势;美国机构有2个,日本和俄罗斯各1个。从论文产出量前10机构的核心技术主题来看,石 墨烯及其复合材料的新型制备方法是各国的研究热点。中国机构发表的论文侧重于传感器、电子和光电、电池等应用领域。美国机构发表的论文侧重于光电性能、电子结构、薄膜晶体管、半导体器件等应用领域。新加坡机构发表的论文侧重于电子和光电、电池等应用领域。 
对全球专利申请人进行分析,专利申请数量排名前10的申请人中,有6个来自中国,3个来自韩国,1个来自美国。从石墨烯专利申请机构的性质上来看,中国以科研院所主导,企业在韩国、美国的专利申 请中占相对重要的地位。从机构申请专利的技术主题上看,中国主要研究机构申请的专利多为制备、电池、复合材料等领域。韩国主要机构申请的专利多为半导体器件、电池等领域。美国主要机构申请的专利多为半导体器件等领域。
4 领域、主题分布及演进
利用CAS提供的学科分类,对石墨烯的总体研究领域布局进行了分析,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、 物理化学、生物化学方法、塑料生产与加工、电化学、磁现象等领域。其中,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,电化学领域近年来研究比重逐年增大。 
利用CAS提供的物质性能用途标引数据,分析全球石墨烯涉及物质的性能用途分布如下:(1)39.9%的物 质为应用研究(USES),含技术工程材料(technical or engineered materialuse,TEM)、改性剂或添加剂(modifier or additive use,MOA)、催化剂(catalyst use,CAT)及其他应用(other use, unclassified,NUU) 等;(2)20.8%的物质为性能(properties,PRP)及纳米材料(nanoscale substances/materials,NAN)等其他方面的研究;(3)18.6%的物质为工艺研究(process,PROC),包含物理、工程及化工工艺(physical, engineering or chemical process,PEP)、去除或处理 (removal or disposal,REM)等。
对物质在性能方面的研究自2006年后大幅下降;对物质在纳米材料、工业生产、反应物、催化剂等方面的研究在2009年后呈下降趋势;对物质在物理、工程及化工工艺方面的研究自2011年后保持平稳发展;对物质在技术工程材料、分析物、生物研究、聚合物材料等方面研究自2012年后呈下降趋势。相反,对物质在生物应用方面的研究自2008年后呈现上升趋势,对物质在改性剂 或添加剂、污染物、去除或处理等方面的研究在2012年后呈现上升趋势。石墨烯研究文献中涉及物质的主要性 能用途近年来的份额呈下降趋势,作为生物应用、改性剂或添加剂,污染物及去除或处理等方面的研究成为新的关注点。
利用美国化学文摘社提供的深度标引,对1985年至2016年间10万余篇石墨烯相关的研究论文和专利的进行主题聚类分析,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。
石墨烯研发的主题词在不断扩展,涵盖的范围更宽。2010-2011年间,新出现的主题词占45.7%,石墨烯研究不断向器件方向演进;2012-2013年间新出现的研究主题词占比38.9%;2014年至今新出现的研究主题词占比29.0%,新兴主题词所占比例逐渐减少,石墨烯“破茧”之势渐缓。
5 结论与展望
石墨烯作为新材料界的新星,自2004年正式面世到现在,在短短的十余年间,获得了广泛的关注,并取得了飞速的发展。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。石墨烯相关研究从材料力学及电子学性能的基础研究延伸至电池、电容器、半导体、传感 器件、高分子纳米复合材料等应用领域,未来应用领域 还将不断拓展,市场发展前景可期。
在能源应用领域,石墨烯作为新型储能材料,电极材料、导热/散热材料,展现出了良好的应用前景。在生物应用领域,石墨烯材料的生物传感器、复合功能材料在医学领域有着广阔的应用前景。在电子学应用领 域,石墨烯在新型光电领域、智能电子领域具有很高的应用价值,同时石墨烯给现有的半导体工业注入新的活力。石墨烯的研发已呈现出良好的应用前景,但尚需在 制备方法和工艺上进行新的突破,以实现石墨烯的应用 与产业化,引领多领域新材料新时代的变革。
石墨烯在能源、生物学、电子学、和其他材料制成的纳米复合材料等诸多领域的广泛应用对石墨烯的低成本绿色制备、高质量精细结构调控以及多级次多功能组装与集成提出了越来越高的要求。制备工艺将呈现出多元化发展趋势,对制备方法和技术进行研发、改进和优化成为研究的热点,以提高并最大限度地发挥石墨烯各方面的优异性能。
石墨烯的研发已呈现出良好的应用前景,但尚需在制备方法和工艺上进行新的突破,以实现石墨烯的应用与产业化,引领多领域新材料新时代的变革。
 
 
来源:科学观察
作者:王丽 邹丽雪 马清扬 余敏 吴莹琪
(以上文章系转载,并不代表公司观点,如涉及版权等问题,请联系我们以便处理)