石墨烯——神奇的碳单层结构。石墨烯是一种碳原子单层平面晶体新材料，它独特的碳单层结构一度被认为无法稳定存在。2004 年两位英国物理学家成功从石墨中分离得到石墨烯，并因此荣获2010 年诺贝尔物理学奖。
纳米尺寸石墨烯具有独特的性能，在多种应用领域有广阔的前景。纳米尺寸的石墨烯具有与众不同的光、电、磁、热、力学等特性;片状石墨烯由于传导结构特殊，在电、热传导方面具有很大的优势;随着研究的深入，石墨烯的性质和应用范围也在不断拓展，在诸如催化、储氢、海水淡化、癌症治疗等领域进展颇丰。
石墨烯的 优异性能
自2004 年第一次用机械剥离方法得到石墨烯后，石墨烯优良的性能和广阔的应用前景吸引了世界各国研究者的关注，随之开发出众多石墨烯制备方法。目前已知制备石墨烯的方法有10 种以上，主流的包括机械剥离法、化学气相合成法、外延生长法和氧化还原法等，此外还可以通过石墨插层、有机合成、晶膜生长、溶剂加热等方法。目前石墨烯制备存在成品率较低、环保成本高等问题，这些问题一定程度制约了石墨烯的工业应用。
石墨烯各种制备方法优劣比较
从产品形貌来看，目前石墨烯主要分为粉体和薄膜两种。石墨烯粉体由1-10 层不等的石墨烯微片构成，潜在的下游应用是导电添加剂、复合材料、散热导热、导电油墨、储能、海水淡化、防腐材料等;石墨烯薄膜是相对大尺寸的石墨烯单晶或多晶薄膜，主要适合用于触摸屏等。
石墨烯产业链
世界各国纷纷开展石墨烯研究，截止目前约有80 多个国家和地区开展石墨烯研究。总体上，前期世界各国的支持政策主要集中在石墨烯基础研究;当前大多集中在石墨烯产业链中游，以石墨烯功能器件研发为主;预计未来5 到10 年，各国对石墨烯行业的支持仍将集中在石墨烯中游产业链，以进一步加快石墨烯产业化。
同时少数领先国家已形成完整产业链，拥有规模化下游应用。例如美国已形成相对完整的产业链，覆盖从研究到生产制备、再到下游应用环节，尤其是下游应用环节表现多元化，包括IBM、英特尔、波音等众多大型企业，同时良好的创业环境催生了众多快速发展的中小型石墨烯企业。
各国的石墨烯研发现状
我国石墨烯产业步入规模化应用初期
去年政府对于石墨烯的关注度迅速提升，在多个重要文件中提及石墨烯发展目标。特别是2015 年11 月20 日发改委、工信部和科技部三部门联合发布的《关于加快石墨烯产业创新发展的若干意见》，明确提出将石墨烯打造为先导产业。
2012 年，工信部在《新材料产业“十二五”发展规划》中提出我国新材料产业建设目标，要使新材料产业成为国民经济先导产业，初步实现材料大国向材料强国的战略转变。
科技部在2012 年印发了《纳米研究国家重大科学研究计划“十二五”专项规划》，并在“863计划”纳米材料专项中将石墨烯研发作为一个重点的支持内容;在“十三五”科技发展规划中，石墨烯研发及产业化更有望单独占有重要位置。
2014 年11 月，发改委、财政部、工信部联合印发《关键材料升级换代工程实施方案 》 ，方案提出到2016 年推动包括石墨烯在内的20 种重点新材料实现批量稳定生产和规模应用。
2015 年国务院发布《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，为提升中国制造水平积蓄力量。
《中国制造2025》石墨烯产业制定目标
我国石墨烯研究起步早，研究受到国家重视。从石墨烯刚刚成为科研界新星之时，中国各大科研机构就已经紧跟前沿科学的脚步，涉足石墨烯研究。清华大学、中国科技大学、中科院北京物理所、中科院沈阳金属所、中科院宁波材料所、中科院山西煤化所等众多高校和研究所纷纷成立相关研究组，投入大量经费，引进众多海归人才，加强石墨烯领域的研究和探索，同时国家自然基金委等也给予重大项目经费支持。
国家自然基金委资助的有关石墨烯的重大项目清单
我国石墨烯专利和论文全球第一。2010 年后，全球石墨烯相关论文和专利数量呈井喷式增长。从1991 年开始至今，全球共发表石墨烯相关SCI 论文137690篇。其中，中国、美国、韩国和日本发表论文数量位居全球前四名，占比分别是34.2%、18.9%、7.5%和5.4%。此外中国已成为全球范围内石墨烯的出版物和专利的领先者，申请的石墨烯专利数量占全世界的1/3，位居全球首位。从各原创国的技术申请范围看，韩国、美国和日本都在积极进行专利全球布局，但我国专利海外布局薄弱，亟待进一步加强。
石墨烯专利由制备工艺向应用领域转变。从石墨烯专利技术申请领域看，2013 年之前，石墨烯相关研究主要集中在制备领域，2011 年至2013 年间制备技术专利占石墨烯专利申请比例逐步提升。2013-2015 年间，全球新增大量关于复合纤维、涂层、功能薄膜、水处理等新兴领域的石墨烯技术专利申请，其中关于石墨烯基复合材料和储能的专利申请占比分别达27%和15%。
世界范围内石墨烯相关专利申请
石墨烯专利技术在不同应用领域的分布
石墨烯产业园成立落实优惠政策。在国家政策的鼓励下，各地区相继成立了常州石墨烯产业园、无锡石墨烯产业应用示范基地、青岛石墨烯产业创新示范基地等产业园区和示范基地，地方政府通过招商引资以及给予税费优惠等政策吸引高新技术企业落户产业园。
中国石墨烯产业技术创新战略联盟于2013 年应运而生。该联盟常务理事单位6 家，联盟发起单位26 家，目前已发展到53 家，其中高校17 家、科研院所7 家、企业29 家，基本囊括了国内从事石墨烯研发及产业化的主流单位，成立至今在国际已经具备一定影响力。
当前，国内某些公司已具备提供石墨烯的能力，但主要应用于试验和应用研究，真正实现高端应用的较少，且相关企业的年产能大多不超过百吨级。随着政策支持力度的加大、资本投入以及宏量制备技术的突破，未来5-10 年，多数企业年产能将达到千吨级，少部分大型企业年产能有望达到万吨级。
• 石墨烯薄膜 2015 年我国的石墨烯薄膜制备技术突破了薄膜面积大小的限制，可以试制满足任何尺寸需求的薄膜，技术难点为提高产品良率和降低电阻率。
• 石墨烯粉体 2015 年石墨烯粉体产品通过下游市场开拓首次实现了销售量的突破，代表企业第六元素全年营收增长超过600%，主要产品为海水防腐涂料等。然而目前每生产1g 石墨烯产生20g 废酸，处理成本相对较高。
当前，我国石墨烯产业中的部分企业注意力已经从材料制备转向下游应用。受制备技术和成本因素影响，目前市面上的石墨烯产品主要为粉体、涂料、散热膜和触控屏等;根据各公司网站及新闻资料，具备石墨烯研发生产能力的部分企业及其主要产品归纳如下
国内企业石墨烯制备和产品研究进展
2025 年石墨烯产业有望迎来千亿级产业规模
石墨烯具备优良的电学性能、机械性能、光学性能和高比表面积，目前已知的应用领域包括电子器件领域、能源领域、环保领域以及金属制品电磁防护、防腐涂料、导电油墨等。
石墨烯作为工业添加剂，材料本身市场规模并不大，各机构预测到2020 年石墨烯材料本身市场规模在1.5-3 亿美元之间，并在2015-2020 年期间保持40%以上增速。
《中国制造2025》明确了石墨烯发展目标，文件指出到2020 年“规模制备及电化学储能 、印刷电子、航空航天用轻质高强复合材料、海洋工程防腐等应用领域的技术水平达国际领先，大幅提升相关产品性能，形成百亿元产业规模。到2025 年突破石墨烯在电子信息领域应用的技术瓶颈，整体产业规模突破千亿。”
石墨烯材料市场规模预测
电子器件应用领域
石墨烯在电子器件领域主要用作散热材料、柔性触控屏材料、传感器材料和芯片材料等。
石墨烯在电子器件领域的应用
1)应用于散热材料
石墨烯是已知的导热系数最高的物质。石墨烯理论导热率达到5300W/m•K，并且远高于石墨;石墨烯所具有的快速导热特性与快速散热特性使得石墨烯成为极佳的散热材料，可用于智能手机、平板电脑、大功率节能LED 照明、超薄LCD 电视等散热。
石墨烯是传统石墨散热膜的理想替代材料。传统的石墨散热技术由于石墨的高导热性能以及相对廉价易生产得到了广泛的应用，包括iPhone、LG、小米、中兴等许多品牌都手机上都应用了石墨散热这一技术。随着市场对芯片处理速度要求越来越高，大频率芯片及大功率电池成为了智能手机和平板电脑的必然选择，这也开启了导热性能更好的石墨烯散热薄膜的发展空间。此外石墨烯散热片还可制成柔性材质，更加符合电子产品对散热材料的要求。
2)应用于柔性触控屏
石墨烯几乎完全透明，导电性能卓越，而且碳原子的连接十分柔韧，可以用于制作透明导电膜、柔性材料，应用于柔性电容触摸屏、OLED 面板、柔性LCD 面板等。
石墨烯触控屏性能优异，有望替代ITO。目前通用的触控屏使用氧化铟锡(ITO)为原料，在目前使用的触摸屏中，ITO 占据了40%左右的成本。在产品性能上，石墨烯具有更优异的透明性(只吸收2.3%的光)、更出色的导电性能以及ITO 所不具备的强韧性(可弯曲，拉伸20%仍不断裂)。在产品生产方面，稀有金属的铟作为ITO 导电膜的原料，存在供需紧张的风险。目前石墨烯触控屏成本高于ITO，随着石墨烯成本降低、柔性技术的逐步推广，或将逐步取代ITO。
已有多家企业实现从柔性屏到多点触控柔性屏的突破。以石墨稀材料技术制作的柔性触摸屏可让不规则或弧形的移动设备实现先进的多点触控功能，如韩国三星和兰石科技均宣布制成了石墨烯可折叠显示器、常州二维碳素(833608.OC)实现了大规模石墨烯透明导电薄膜生产线的投产。
3)应用于传感器
石墨烯适用于制作高灵敏度应力传感器。石墨烯不但具有纳米尺寸，而且还具备准连续特点，这种准连续的纳米石墨烯薄膜可转移到柔性衬底上，制作柔性、透明的高灵敏度应力传感器，进而应用于人造电子皮肤等领域。并且由于石墨烯传感器稳定性强、体积小，制成的石墨烯电子皮肤厚度小，可被黏在手指上检测关节活动;诺基亚和中科院物理所等均已宣布在石墨烯电子皮肤中取得进展;应力测量范围超过30%，灵敏因子提高到500 以上。
可穿戴设备市场的飞跃发展给石墨烯带来了巨大的市场机遇。可穿戴设备对屏幕柔性要求较高，需要灵敏的传感器配件。根据NPD DisplaySearch 可穿戴式设备市场及预测报告显示，可穿戴式设备市场如移动追踪器、通知装置、智能手表及头戴式显示器等，预计到2019 年全球市场将达1.5 亿台。
全球可穿戴设备出货量预测
石墨烯传感器应用时间节点预测
4)应用于芯片材料
石墨烯在半导体材料中的应用属于高级应用，目前仅少数顶尖公司具备该项研发生产能力，其中技术领先的企业是韩国三星和美国IBM。
石墨烯做的晶体管具有更高的效率，更快的运行速度并且能耗更低
• 效率高稳定性好 目前集成电路晶体管普遍采用硅材料制造;但当硅材料尺寸小于10纳米时，硅晶体管的稳定性将没有保障。而石墨烯高度稳定，即使切割成1 纳米宽的元件仍能够保持性能。
• 电子迁移速度极快(室温下可达20 万cm2/V•s，是硅的100 倍) 石墨烯的运行速度可达太赫兹，可以运行在比硅电路高得多的频率上，如100GHz 甚至1THz。而在现有材料和技术条件下，产生4GHz 以上的频率难度都相当高。
能源应用领域
石墨烯在能源领域主要有以下方向的应用研究
• 锂电池 1)基于石墨烯优良的电学和化学特性对锂电池材料进行改进，通过使用石墨烯或石墨烯复合材料提升电池的能量密度、功率密度或缩短充电时间;2)利用石墨烯的力学性能制作柔性基体使得锂电池具备弯折、拉伸，甚至扭曲、折叠等功能。
• 超级电容 研究人员希望利用石墨烯高能量密度等特性制成应用于电动汽车领域，储能量大、充电快的石墨烯“超级电池”，以及超级电容器。
石墨烯在能源领域的应用
1)应用于锂电池
石墨烯及其复合材料可应用于锂离子电池的正极材料、负极材料、导电浆料等。目前已有多家公司进行石墨烯在锂电池的应用拓展，石墨烯在锂电池正极材料导电添加剂方面已经量产。
石墨烯负极材料能够提高负极锂电池理论比容量和倍率性能。石墨烯是由单层碳原子紧密排列构成，比表面积大，其理论比容量为740-780mAh/g，为传统石墨材料的2 倍多;石墨烯的孔道结构使得锂离子在负极材料中的扩散路径比较短，有效提高电导率;石墨烯优异的机械性能和化学性能使得其复合电极材料具备结构稳定性，能够有效提高电极材料循环稳定性。
锂电池正极材料导电添加剂，显著提高充放电及导电性能。正极材料导电添加剂是石墨烯锂电池应用中走在产业化最前端的一环，主要障碍是石墨烯分散的均匀性。宁波墨西等多家单位已宣布推出或计划推出锂电池导电添加剂产品。
石墨烯功能涂层铝箔可有效降低电池内阻。石墨烯涂覆于铝箔集流体上，形成石墨烯功能涂层铝箔，有助于进一步提升锂电池的综合性能。以磷酸铁锂电池为例，使用石墨烯涂层铝箔可使电池内阻降低一半，而容量不受损失，同时电池的循环寿命提高20%以上。
各种超级电容器材料的性能参数
2)应用于超级电容器
超级电容器在其充放电的过程始终只涉及物理变化，与利用化学反应的电池不同，具有性能稳定、充电时间短、循环次数多、电容量大等特点;在工业控制、风光发电、交通工具、智能三表、电动工具、军工等领域具有非常广泛的应用前景。但是，超级电容器目前受到电极材料的制约，能量密度普遍低于20wh/kg。
石墨烯可显著提高超级电容器能量密度。石墨烯本身具备超大的比表面积(2600 m2/g)，应用于超级电容器电极能显著提高储能密度，在实验室阶段其储能密度可达170 Wh/kg，与铅酸电池接近，是超级电容器的理想电极材料。例如青岛储能产业技术研究院采用石墨烯基复合电极材料路线，开发出容量可控的锂离子电容器器件，并尝试应用于电动自行车上;铅酸电池需要10 小时可充满电，锂离子电容器约为1-3 个小时。
但目前石墨烯超级电容的实际能量密度还不够高，在石墨烯基电极制备过程中容易发生堆叠现象，导致材料比表面积和离子电导率下降。目前正在通过对石墨烯进行修饰或与其他材料形成复合电极材料来努力克服石墨烯的缺点。
石墨烯在其他领域的应用
复合材料应用领域
其他应用领域包括电线电缆的电磁防护、船舶等产品金属表面的防腐涂料、重金属污染物的吸附、海水淡化等。
1)作为电缆保护材料
石墨烯的导电性能优于铜。石墨烯是目前世界上电阻率最小的材料，电阻率低于目前国内电线电缆的首选材料铜;石墨烯有可能成为电缆导体的替代产品。
石墨烯的电磁屏蔽防护性能高于传统的镀锡层和金属丝编织屏蔽层。与传统的镀锡层和金属丝编织屏蔽层相比，石墨烯一方面提高了屏蔽效果，降低外部干扰;另一方面还能避免出现屏蔽间隙，防止屏蔽金属丝因断丝而扎入缆芯而影响电缆绝缘性能。
根据中国电子信息产业年鉴的数据预测，按照每年10%的增长率保守估计，2017 年我国的射频电缆产量为8 百万千米以上。中超电缆拥有多项石墨烯电缆防护专利，并与无锡第六元素合作进行电缆产品的开发。
2)作为功能涂料
石墨烯优异的电学、热学、力学和光学性能，使石墨烯成为新一代涂料的焦点，研究者认为，带有大量含氧官能团的功能化石墨烯，与树脂、高分子材料的结合力强，极其适合作为补强材料或功能化材料;石墨烯具备在防腐、防水、导电或抗静电涂料等领域快速拓展的潜力。
• 导电涂料 传统的导电涂料通过加入金属或金属氧化物颗粒(如银粉、铜粉、氧化锌等导电性物质)作为添加剂来达到涂膜导电的目的。相比银粉等传统添加剂，石墨烯由于具有很高的电子迁移率和优异的电学性能，能够更好地实现导电涂料所要达成的目标;而且由于石墨烯还具备优异的机械性能及热性能，使得这种新型导电涂料更加耐用，更能适应复杂的应用环境。
• 防腐涂料 石墨烯对金属腐蚀的保护作用成为了涂料领域技术研发的一个重要方向。目前第六元素(831190.OC)已研制出可用于海上风电设备的锌烯重防腐涂料，以期提高设备的抗腐蚀能力以及降低成本。石墨烯对于金属腐蚀的保护作用主要体现在以下几个方面 1)石墨烯可层层叠加形成致密的隔绝层，起到物理防腐作用;2)石墨烯的导电性能还能迅速地将阳极反应中Fe失去的电子传导到涂料表面，起到电化学防腐的作用;3)石墨烯由于其特殊的力学性质更加坚固抗损伤，进而显著延缓了金属的腐蚀速度。
• 抗静电涂料 随着现代科技的发展，电子、电器、航空及化工等多种领域对涂料的抗静电性能要求越来越高。而石墨烯所具有的高导电性、强力学性能等特点，有利于制备高性能、高强度的抗静电涂料。
• 透光涂料 石墨烯由于具有良好的光学性能，可以在实现防腐等目标的基础上，用于汽车船舶玻璃、显示器、电视机等领域。
石墨烯涂料的产业前景。随着国民经济的迅速发展，防腐涂料、导电涂料等工业涂料的需求量迅速增长，国内涂料总产量从2005 年的249.05 万吨已经增至2014 年的1648.19 万吨，按照20%的增量测算，2017 年的涂料产量将接近3100 万吨。如果石墨烯涂料能突破成本瓶颈，并在实际应用中也表现出非常好的效果，其有望在工业涂料的领域里占据主要地位，市场空间极其巨大。
石墨烯环氧防底漆可显著提高涂料耐腐蚀性
我国国内涂料产量走势图
3)作为碳质吸附剂
目前常用的碳质材料吸附剂，如活性炭、碳分子筛、碳纳米管、富勒烯等，以其高比表面积、物理化学性质稳定和经济高效的特性，被广泛地应用于环保领域。
相比于以上碳质吸附剂，石墨烯的薄层结构使其具有巨大的比表面积，对固体、气体、离子都有着很高的吸附容量。虽然现在石墨烯型吸附剂尚处于实验室阶段，还没有成熟产品，但仍然是未来最有希望统一碳质吸附剂所有吸附范围的材料，应用前景广阔。
石墨烯吸附范围
• 氧化石墨烯处理重金属污染。当石墨烯被氧化后吸附性能被改变，对水中重金属离子、有毒非金属离子都有很好的吸附效果，在饮用水处理，电镀工业、印染工业、皮革加工等污水处理方面大有可为。
• 石墨烯快速处理放射性污染物。氧化石墨烯薄片能快速地吸附天然和人造的放射性核素，并凝结成固体;适用于陆地、水下放射性污染的吸收。这对处理核事故导致的污染废料有重要意义。
• 新型海水淡化器。石墨烯通过改性后可快速地滤掉海水中的盐，完成海水淡化。目前海水脱盐常用反渗透技术，但渗透薄膜上的小孔极为致密(比多孔石墨烯密1000 倍)，需要高压迫使海水通过薄膜;而石墨烯薄能以更节能以及更快速方式进行海水淡化。
• 石墨烯海绵处理原油污染。石墨烯能够有效地吸附辛烷、泵油、柴油、煤油等多种油类;且石墨烯海绵能够漂浮在水面上，非常适合海上原油污染等实际应用场合。
• 石墨烯处理大气污染物。石墨烯对如CO、NO 等有毒气体有很好的吸附作用。
石墨烯海绵对油类的吸附能力
4)作为绿色、高效催化剂
石墨烯可用作绿色、高效催化剂。石墨烯和氧化石墨烯都能作为催化剂使用;石墨烯具有更高的稳定性和油溶性，能催化有机物反应;有实验证明，石墨烯催化的苯胺生成反应，转化率从0.4%升至97%。石墨烯催化剂性质稳定易与反应产物发生分离，可以替代贵金属催化剂实现化学反应的绿色化;氧化石墨烯能表现出低温下的高催化活性，能作为贵金属铂的替代物，其具备价格低廉和使用寿命长的特点，能克服铂催化剂中毒的缺点。
石墨烯催化剂的优缺点
