石墨烯——神奇的碳單層結構。石墨烯是一種碳原子單層平面晶體新材料，它獨特的碳單層結構一度被認為無法穩(wěn)定存在。2004 年兩位英國物理學家成功從石墨中分離得到石墨烯，并因此榮獲2010 年諾貝爾物理學獎。

　　納米尺寸石墨烯具有獨特的性能，在多種應用領域有廣闊的前景。納米尺寸的石墨烯具有與眾不同的光、電、磁、熱、力學等特性;片狀石墨烯由于傳導結構特殊，在電、熱傳導方面具有很大的優(yōu)勢;隨著研究的深入，石墨烯的性質和應用范圍也在不斷拓展，在諸如催化、儲氫、海水淡化、癌癥治療等領域進展頗豐。

石墨烯的 優(yōu)異性能

　　自2004 年第一次用機械剝離方法得到石墨烯后，石墨烯優(yōu)良的性能和廣闊的應用前景吸引了世界各國研究者的關注，隨之開發(fā)出眾多石墨烯制備方法。目前已知制備石墨烯的方法有10 種以上，主流的包括機械剝離法、化學氣相合成法、外延生長法和氧化還原法等，此外還可以通過石墨插層、有機合成、晶膜生長、溶劑加熱等方法。目前石墨烯制備存在成品率較低、環(huán)保成本高等問題，這些問題一定程度制約了石墨烯的工業(yè)應用。

石墨烯各種制備方法優(yōu)劣比較

　　從產品形貌來看，目前石墨烯主要分為粉體和薄膜兩種。石墨烯粉體由1-10 層不等的石墨烯微片構成，潛在的下游應用是導電添加劑、復合材料、散熱導熱、導電油墨、儲能、海水淡化、防腐材料等;石墨烯薄膜是相對大尺寸的石墨烯單晶或多晶薄膜，主要適合用于觸摸屏等。

石墨烯產業(yè)鏈

　　世界各國紛紛開展石墨烯研究，截止目前約有80 多個國家和地區(qū)開展石墨烯研究。總體上，前期世界各國的支持政策主要集中在石墨烯基礎研究;當前大多集中在石墨烯產業(yè)鏈中游，以石墨烯功能器件研發(fā)為主;預計未來5 到10 年，各國對石墨烯行業(yè)的支持仍將集中在石墨烯中游產業(yè)鏈，以進一步加快石墨烯產業(yè)化。

　　同時少數領先國家已形成完整產業(yè)鏈，擁有規(guī)模化下游應用。例如美國已形成相對完整的產業(yè)鏈，覆蓋從研究到生產制備、再到下游應用環(huán)節(jié)，尤其是下游應用環(huán)節(jié)表現多元化，包括IBM、英特爾、波音等眾多大型企業(yè)，同時良好的創(chuàng)業(yè)環(huán)境催生了眾多快速發(fā)展的中小型石墨烯企業(yè)。

各國的石墨烯研發(fā)現狀

　　我國石墨烯產業(yè)步入規(guī)模化應用初期

　　去年政府對于石墨烯的關注度迅速提升，在多個重要文件中提及石墨烯發(fā)展目標。特別是2015 年11 月20 日發(fā)改委、工信部和科技部三部門聯合發(fā)布的《關于加快石墨烯產業(yè)創(chuàng)新發(fā)展的若干意見》，明確提出將石墨烯打造為先導產業(yè)。

　　2012 年，工信部在《新材料產業(yè)“十二五”發(fā)展規(guī)劃》中提出我國新材料產業(yè)建設目標，要使新材料產業(yè)成為國民經濟先導產業(yè)，初步實現材料大國向材料強國的戰(zhàn)略轉變。

　　科技部在2012 年印發(fā)了《納米研究國家重大科學研究計劃“十二五”專項規(guī)劃》，并在“863計劃”納米材料專項中將石墨烯研發(fā)作為一個重點的支持內容;在“十三五”科技發(fā)展規(guī)劃中，石墨烯研發(fā)及產業(yè)化更有望單獨占有重要位置。

　　2014 年11 月，發(fā)改委、財政部、工信部聯合印發(fā)《關鍵材料升級換代工程實施方案 》 ，方案提出到2016 年推動包括石墨烯在內的20 種重點新材料實現批量穩(wěn)定生產和規(guī)模應用。

　　2015 年國務院發(fā)布《中國制造2025》，明確了石墨烯在戰(zhàn)略前沿材料中的關鍵地位，強調其戰(zhàn)略布局和研制，為提升中國制造水平積蓄力量。

《中國制造2025》石墨烯產業(yè)制定目標

　　我國石墨烯研究起步早，研究受到國家重視。從石墨烯剛剛成為科研界新星之時，中國各大科研機構就已經緊跟前沿科學的腳步，涉足石墨烯研究。清華大學、中國科技大學、中科院北京物理所、中科院沈陽金屬所、中科院寧波材料所、中科院山西煤化所等眾多高校和研究所紛紛成立相關研究組，投入大量經費，引進眾多海歸人才，加強石墨烯領域的研究和探索，同時國家自然基金委等也給予重大項目經費支持。

國家自然基金委資助的有關石墨烯的重大項目清單

　　我國石墨烯專利和論文全球第一。2010 年后，全球石墨烯相關論文和專利數量呈井噴式增長。從1991 年開始至今，全球共發(fā)表石墨烯相關SCI 論文137690篇。其中，中國、美國、韓國和日本發(fā)表論文數量位居全球前四名，占比分別是34.2%、18.9%、7.5%和5.4%。此外中國已成為全球范圍內石墨烯的出版物和專利的領先者，申請的石墨烯專利數量占全世界的1/3，位居全球首位。從各原創(chuàng)國的技術申請范圍看，韓國、美國和日本都在積極進行專利全球布局，但我國專利海外布局薄弱，亟待進一步加強。

　　石墨烯專利由制備工藝向應用領域轉變。從石墨烯專利技術申請領域看，2013 年之前，石墨烯相關研究主要集中在制備領域，2011 年至2013 年間制備技術專利占石墨烯專利申請比例逐步提升。2013-2015 年間，全球新增大量關于復合纖維、涂層、功能薄膜、水處理等新興領域的石墨烯技術專利申請，其中關于石墨烯基復合材料和儲能的專利申請占比分別達27%和15%。

世界范圍內石墨烯相關專利申請

石墨烯專利技術在不同應用領域的分布

　　石墨烯產業(yè)園成立落實優(yōu)惠政策。在國家政策的鼓勵下，各地區(qū)相繼成立了常州石墨烯產業(yè)園、無錫石墨烯產業(yè)應用示范基地、青島石墨烯產業(yè)創(chuàng)新示范基地等產業(yè)園區(qū)和示范基地，地方政府通過招商引資以及給予稅費優(yōu)惠等政策吸引高新技術企業(yè)落戶產業(yè)園。

　　中國石墨烯產業(yè)技術創(chuàng)新戰(zhàn)略聯盟于2013 年應運而生。該聯盟常務理事單位6 家，聯盟發(fā)起單位26 家，目前已發(fā)展到53 家，其中高校17 家、科研院所7 家、企業(yè)29 家，基本囊括了國內從事石墨烯研發(fā)及產業(yè)化的主流單位，成立至今在國際已經具備一定影響力。

　　當前，國內某些公司已具備提供石墨烯的能力，但主要應用于試驗和應用研究，真正實現高端應用的較少，且相關企業(yè)的年產能大多不超過百噸級。隨著政策支持力度的加大、資本投入以及宏量制備技術的突破，未來5-10 年，多數企業(yè)年產能將達到千噸級，少部分大型企業(yè)年產能有望達到萬噸級。

　　• 石墨烯薄膜 2015 年我國的石墨烯薄膜制備技術突破了薄膜面積大小的限制，可以試制滿足任何尺寸需求的薄膜，技術難點為提高產品良率和降低電阻率。

　　• 石墨烯粉體 2015 年石墨烯粉體產品通過下游市場開拓首次實現了銷售量的突破，代表企業(yè)第六元素全年營收增長超過600%，主要產品為海水防腐涂料等。然而目前每生產1g 石墨烯產生20g 廢酸，處理成本相對較高。

　　當前，我國石墨烯產業(yè)中的部分企業(yè)注意力已經從材料制備轉向下游應用。受制備技術和成本因素影響，目前市面上的石墨烯產品主要為粉體、涂料、散熱膜和觸控屏等;根據各公司網站及新聞資料，具備石墨烯研發(fā)生產能力的部分企業(yè)及其主要產品歸納如下

國內企業(yè)石墨烯制備和產品研究進展

　　2025 年石墨烯產業(yè)有望迎來千億級產業(yè)規(guī)模

　　石墨烯具備優(yōu)良的電學性能、機械性能、光學性能和高比表面積，目前已知的應用領域包括電子器件領域、能源領域、環(huán)保領域以及金屬制品電磁防護、防腐涂料、導電油墨等。

　　石墨烯作為工業(yè)添加劑，材料本身市場規(guī)模并不大，各機構預測到2020 年石墨烯材料本身市場規(guī)模在1.5-3 億美元之間，并在2015-2020 年期間保持40%以上增速。

　　《中國制造2025》明確了石墨烯發(fā)展目標，文件指出到2020 年“規(guī)模制備及電化學儲能 、印刷電子、航空航天用輕質高強復合材料、海洋工程防腐等應用領域的技術水平達國際領先，大幅提升相關產品性能，形成百億元產業(yè)規(guī)模。到2025 年突破石墨烯在電子信息領域應用的技術瓶頸，整體產業(yè)規(guī)模突破千億。”

石墨烯材料市場規(guī)模預測

　　電子器件應用領域

　　石墨烯在電子器件領域主要用作散熱材料、柔性觸控屏材料、傳感器材料和芯片材料等。

石墨烯在電子器件領域的應用

　　1)應用于散熱材料

　　石墨烯是已知的導熱系數最高的物質。石墨烯理論導熱率達到5300W/m•K，并且遠高于石墨;石墨烯所具有的快速導熱特性與快速散熱特性使得石墨烯成為極佳的散熱材料，可用于智能手機、平板電腦、大功率節(jié)能LED 照明、超薄LCD 電視等散熱。

　　石墨烯是傳統石墨散熱膜的理想替代材料。傳統的石墨散熱技術由于石墨的高導熱性能以及相對廉價易生產得到了廣泛的應用，包括iPhone、LG、小米、中興等許多品牌都手機上都應用了石墨散熱這一技術。隨著市場對芯片處理速度要求越來越高，大頻率芯片及大功率電池成為了智能手機和平板電腦的必然選擇，這也開啟了導熱性能更好的石墨烯散熱薄膜的發(fā)展空間。此外石墨烯散熱片還可制成柔性材質，更加符合電子產品對散熱材料的要求。

　　2)應用于柔性觸控屏

　　石墨烯幾乎完全透明，導電性能卓越，而且碳原子的連接十分柔韌，可以用于制作透明導電膜、柔性材料，應用于柔性電容觸摸屏、OLED 面板、柔性LCD 面板等。

　　石墨烯觸控屏性能優(yōu)異，有望替代ITO。目前通用的觸控屏使用氧化銦錫(ITO)為原料，在目前使用的觸摸屏中，ITO 占據了40%左右的成本。在產品性能上，石墨烯具有更優(yōu)異的透明性(只吸收2.3%的光)、更出色的導電性能以及ITO 所不具備的強韌性(可彎曲，拉伸20%仍不斷裂)。在產品生產方面，稀有金屬的銦作為ITO 導電膜的原料，存在供需緊張的風險。目前石墨烯觸控屏成本高于ITO，隨著石墨烯成本降低、柔性技術的逐步推廣，或將逐步取代ITO。

　　已有多家企業(yè)實現從柔性屏到多點觸控柔性屏的突破。以石墨稀材料技術制作的柔性觸摸屏可讓不規(guī)則或弧形的移動設備實現先進的多點觸控功能，如韓國三星和蘭石科技均宣布制成了石墨烯可折疊顯示器、常州二維碳素(833608.OC)實現了大規(guī)模石墨烯透明導電薄膜生產線的投產。

　　3)應用于傳感器

　　石墨烯適用于制作高靈敏度應力傳感器。石墨烯不但具有納米尺寸，而且還具備準連續(xù)特點，這種準連續(xù)的納米石墨烯薄膜可轉移到柔性襯底上，制作柔性、透明的高靈敏度應力傳感器，進而應用于人造電子皮膚等領域。并且由于石墨烯傳感器穩(wěn)定性強、體積小，制成的石墨烯電子皮膚厚度小，可被黏在手指上檢測關節(jié)活動;諾基亞和中科院物理所等均已宣布在石墨烯電子皮膚中取得進展;應力測量范圍超過30%，靈敏因子提高到500 以上。

　　可穿戴設備市場的飛躍發(fā)展給石墨烯帶來了巨大的市場機遇。可穿戴設備對屏幕柔性要求較高，需要靈敏的傳感器配件。根據NPD DisplaySearch 可穿戴式設備市場及預測報告顯示，可穿戴式設備市場如移動追蹤器、通知裝置、智能手表及頭戴式顯示器等，預計到2019 年全球市場將達1.5 億臺。

全球可穿戴設備出貨量預測

石墨烯傳感器應用時間節(jié)點預測

　　4)應用于芯片材料

　　石墨烯在半導體材料中的應用屬于高級應用，目前僅少數頂尖公司具備該項研發(fā)生產能力，其中技術領先的企業(yè)是韓國三星和美國IBM。

　　石墨烯做的晶體管具有更高的效率，更快的運行速度并且能耗更低

　　• 效率高穩(wěn)定性好 目前集成電路晶體管普遍采用硅材料制造;但當硅材料尺寸小于10納米時，硅晶體管的穩(wěn)定性將沒有保障。而石墨烯高度穩(wěn)定，即使切割成1 納米寬的元件仍能夠保持性能。

　　• 電子遷移速度極快(室溫下可達20 萬cm2/V•s，是硅的100 倍) 石墨烯的運行速度可達太赫茲，可以運行在比硅電路高得多的頻率上，如100GHz 甚至1THz。而在現有材料和技術條件下，產生4GHz 以上的頻率難度都相當高。

　　能源應用領域

　　石墨烯在能源領域主要有以下方向的應用研究

　　• 鋰電池 1)基于石墨烯優(yōu)良的電學和化學特性對鋰電池材料進行改進，通過使用石墨烯或石墨烯復合材料提升電池的能量密度、功率密度或縮短充電時間;2)利用石墨烯的力學性能制作柔性基體使得鋰電池具備彎折、拉伸，甚至扭曲、折疊等功能。

　　• 超級電容 研究人員希望利用石墨烯高能量密度等特性制成應用于電動汽車領域，儲能量大、充電快的石墨烯“超級電池”，以及超級電容器。

石墨烯在能源領域的應用

　　1)應用于鋰電池

　　石墨烯及其復合材料可應用于鋰離子電池的正極材料、負極材料、導電漿料等。目前已有多家公司進行石墨烯在鋰電池的應用拓展，石墨烯在鋰電池正極材料導電添加劑方面已經量產。

　　石墨烯負極材料能夠提高負極鋰電池理論比容量和倍率性能。石墨烯是由單層碳原子緊密排列構成，比表面積大，其理論比容量為740-780mAh/g，為傳統石墨材料的2 倍多;石墨烯的孔道結構使得鋰離子在負極材料中的擴散路徑比較短，有效提高電導率;石墨烯優(yōu)異的機械性能和化學性能使得其復合電極材料具備結構穩(wěn)定性，能夠有效提高電極材料循環(huán)穩(wěn)定性。

　　鋰電池正極材料導電添加劑，顯著提高充放電及導電性能。正極材料導電添加劑是石墨烯鋰電池應用中走在產業(yè)化最前端的一環(huán)，主要障礙是石墨烯分散的均勻性。寧波墨西等多家單位已宣布推出或計劃推出鋰電池導電添加劑產品。

　　石墨烯功能涂層鋁箔可有效降低電池內阻。石墨烯涂覆于鋁箔集流體上，形成石墨烯功能涂層鋁箔，有助于進一步提升鋰電池的綜合性能。以磷酸鐵鋰電池為例，使用石墨烯涂層鋁箔可使電池內阻降低一半，而容量不受損失，同時電池的循環(huán)壽命提高20%以上。

各種超級電容器材料的性能參數

　　2)應用于超級電容器

　　超級電容器在其充放電的過程始終只涉及物理變化，與利用化學反應的電池不同，具有性能穩(wěn)定、充電時間短、循環(huán)次數多、電容量大等特點;在工業(yè)控制、風光發(fā)電、交通工具、智能三表、電動工具、軍工等領域具有非常廣泛的應用前景。但是，超級電容器目前受到電極材料的制約，能量密度普遍低于20wh/kg。

　　石墨烯可顯著提高超級電容器能量密度。石墨烯本身具備超大的比表面積(2600 m2/g)，應用于超級電容器電極能顯著提高儲能密度，在實驗室階段其儲能密度可達170 Wh/kg，與鉛酸電池接近，是超級電容器的理想電極材料。例如青島儲能產業(yè)技術研究院采用石墨烯基復合電極材料路線，開發(fā)出容量可控的鋰離子電容器器件，并嘗試應用于電動自行車上;鉛酸電池需要10 小時可充滿電，鋰離子電容器約為1-3 個小時。

　　但目前石墨烯超級電容的實際能量密度還不夠高，在石墨烯基電極制備過程中容易發(fā)生堆疊現象，導致材料比表面積和離子電導率下降。目前正在通過對石墨烯進行修飾或與其他材料形成復合電極材料來努力克服石墨烯的缺點。

石墨烯在其他領域的應用

　　復合材料應用領域

　　其他應用領域包括電線電纜的電磁防護、船舶等產品金屬表面的防腐涂料、重金屬污染物的吸附、海水淡化等。

　　1)作為電纜保護材料

　　石墨烯的導電性能優(yōu)于銅。石墨烯是目前世界上電阻率最小的材料，電阻率低于目前國內電線電纜的首選材料銅;石墨烯有可能成為電纜導體的替代產品。

　　石墨烯的電磁屏蔽防護性能高于傳統的鍍錫層和金屬絲編織屏蔽層。與傳統的鍍錫層和金屬絲編織屏蔽層相比，石墨烯一方面提高了屏蔽效果，降低外部干擾;另一方面還能避免出現屏蔽間隙，防止屏蔽金屬絲因斷絲而扎入纜芯而影響電纜絕緣性能。

　　根據中國電子信息產業(yè)年鑒的數據預測，按照每年10%的增長率保守估計，2017 年我國的射頻電纜產量為8 百萬千米以上。中超電纜擁有多項石墨烯電纜防護專利，并與無錫第六元素合作進行電纜產品的開發(fā)。

　　2)作為功能涂料

　　石墨烯優(yōu)異的電學、熱學、力學和光學性能，使石墨烯成為新一代涂料的焦點，研究者認為，帶有大量含氧官能團的功能化石墨烯，與樹脂、高分子材料的結合力強，極其適合作為補強材料或功能化材料;石墨烯具備在防腐、防水、導電或抗靜電涂料等領域快速拓展的潛力。

　　• 導電涂料 傳統的導電涂料通過加入金屬或金屬氧化物顆粒(如銀粉、銅粉、氧化鋅等導電性物質)作為添加劑來達到涂膜導電的目的。相比銀粉等傳統添加劑，石墨烯由于具有很高的電子遷移率和優(yōu)異的電學性能，能夠更好地實現導電涂料所要達成的目標;而且由于石墨烯還具備優(yōu)異的機械性能及熱性能，使得這種新型導電涂料更加耐用，更能適應復雜的應用環(huán)境。

　　• 防腐涂料 石墨烯對金屬腐蝕的保護作用成為了涂料領域技術研發(fā)的一個重要方向。目前第六元素(831190.OC)已研制出可用于海上風電設備的鋅烯重防腐涂料，以期提高設備的抗腐蝕能力以及降低成本。石墨烯對于金屬腐蝕的保護作用主要體現在以下幾個方面 1)石墨烯可層層疊加形成致密的隔絕層，起到物理防腐作用;2)石墨烯的導電性能還能迅速地將陽極反應中Fe失去的電子傳導到涂料表面，起到電化學防腐的作用;3)石墨烯由于其特殊的力學性質更加堅固抗損傷，進而顯著延緩了金屬的腐蝕速度。

　　• 抗靜電涂料 隨著現代科技的發(fā)展，電子、電器、航空及化工等多種領域對涂料的抗靜電性能要求越來越高。而石墨烯所具有的高導電性、強力學性能等特點，有利于制備高性能、高強度的抗靜電涂料。

　　• 透光涂料 石墨烯由于具有良好的光學性能，可以在實現防腐等目標的基礎上，用于汽車船舶玻璃、顯示器、電視機等領域。

　　石墨烯涂料的產業(yè)前景。隨著國民經濟的迅速發(fā)展，防腐涂料、導電涂料等工業(yè)涂料的需求量迅速增長，國內涂料總產量從2005 年的249.05 萬噸已經增至2014 年的1648.19 萬噸，按照20%的增量測算，2017 年的涂料產量將接近3100 萬噸。如果石墨烯涂料能突破成本瓶頸，并在實際應用中也表現出非常好的效果，其有望在工業(yè)涂料的領域里占據主要地位，市場空間極其巨大。

石墨烯環(huán)氧防底漆可顯著提高涂料耐腐蝕性

我國國內涂料產量走勢圖

　　3)作為碳質吸附劑

　　目前常用的碳質材料吸附劑，如活性炭、碳分子篩、碳納米管、富勒烯等，以其高比表面積、物理化學性質穩(wěn)定和經濟高效的特性，被廣泛地應用于環(huán)保領域。

　　相比于以上碳質吸附劑，石墨烯的薄層結構使其具有巨大的比表面積，對固體、氣體、離子都有著很高的吸附容量。雖然現在石墨烯型吸附劑尚處于實驗室階段，還沒有成熟產品，但仍然是未來最有希望統一碳質吸附劑所有吸附范圍的材料，應用前景廣闊。

石墨烯吸附范圍

　　• 氧化石墨烯處理重金屬污染。當石墨烯被氧化后吸附性能被改變，對水中重金屬離子、有毒非金屬離子都有很好的吸附效果，在飲用水處理，電鍍工業(yè)、印染工業(yè)、皮革加工等污水處理方面大有可為。

　　• 石墨烯快速處理放射性污染物。氧化石墨烯薄片能快速地吸附天然和人造的放射性核素，并凝結成固體;適用于陸地、水下放射性污染的吸收。這對處理核事故導致的污染廢料有重要意義。

　　• 新型海水淡化器。石墨烯通過改性后可快速地濾掉海水中的鹽，完成海水淡化。目前海水脫鹽常用反滲透技術，但滲透薄膜上的小孔極為致密(比多孔石墨烯密1000 倍)，需要高壓迫使海水通過薄膜;而石墨烯薄能以更節(jié)能以及更快速方式進行海水淡化。

　　• 石墨烯海綿處理原油污染。石墨烯能夠有效地吸附辛烷、泵油、柴油、煤油等多種油類;且石墨烯海綿能夠漂浮在水面上，非常適合海上原油污染等實際應用場合。

　　• 石墨烯處理大氣污染物。石墨烯對如CO、NO 等有毒氣體有很好的吸附作用。

石墨烯海綿對油類的吸附能力

　　4)作為綠色、高效催化劑

　　石墨烯可用作綠色、高效催化劑。石墨烯和氧化石墨烯都能作為催化劑使用;石墨烯具有更高的穩(wěn)定性和油溶性，能催化有機物反應;有實驗證明，石墨烯催化的苯胺生成反應，轉化率從0.4%升至97%。石墨烯催化劑性質穩(wěn)定易與反應產物發(fā)生分離，可以替代貴金屬催化劑實現化學反應的綠色化;氧化石墨烯能表現出低溫下的高催化活性，能作為貴金屬鉑的替代物，其具備價格低廉和使用壽命長的特點，能克服鉑催化劑中毒的缺點。

石墨烯催化劑的優(yōu)缺點