希望与困难同在的石墨烯产业

石墨烯，集众多优异性能于一身，号称“新材料之王”，它被认为将主导未来新兴产业的竞争。

石墨烯的结构与性能

石墨烯（Graphene）是一种由单层碳原子组成、具有蜂窝状结构的二维晶体材料。2004年，英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·海姆(Andre Geim)和康斯坦丁·诺沃消洛夫(Konstantin Novoselov)利用机械剥离法成功地从石墨薄片中剥离出石墨烯，并因其在石墨烯中的开创性实验而获得了2010年诺贝尔物理学奖。

石墨烯是零带隙半导体，具有超高比表面积、高透光性（透光率为97.7%）和高电子迁移率。此外，它的电阻率是已知材料里最小的，热导率和杨氏模量是已知材料里最高的，它的断裂强度是同等情况下钢的200倍。

石墨烯结构示意图

石墨烯的应用

近几年，石墨烯优异的性能，使人们对其应用产生了浓厚的研究兴趣，石墨烯的研究和产业化发展持续升温。从已申请的石墨烯相关专利的领域分布来看，其应用技术研究热点主要有电子信息、新能源、环境保护、生物医药、复合材料等。

●电子信息

传统的光电显示器件材料铟锡氧化物（ITO）具有较高的脆性，无法满足人们对柔性器件的需求，寻找新型柔性透明导电薄膜材料是目前研究的热点。石墨烯应用于透明导电薄膜，在导电性、稳定性和柔性等方面具有突出优势，被认为是最具潜力的ITO替代物。2013年，韩国三星公司和成均馆大学的研究人员首次制造出由多层石墨烯和玻璃纤维聚酯片基底组成的柔性透明显示屏样品，证明了石墨烯用于柔性电极的可行性。随着科技的进步以及石墨烯制造成本的降低，未来柔性及可折叠电子器件的出现将成为可能。

此外，石墨烯具有高导电性、极强的力学性能、超大的比表面积，这使其在传感器领域也有着非常广阔的应用前景。常见的石墨烯基传感器有湿度传感器、压力传感器、气体传感器等。但是，气体传感器的选择性一直是目前研究的主要瓶颈。

●新能源

（1）太阳能电池

在太阳能电池应用方面，石墨烯主要是作为透明电极材料，替代传统的电极材料ITO。近年来,人们将石墨烯材料引入到染料敏化太阳能电池光阳极的研究中,意在改善电子的传输速度、降低电子的复合率,从而进一步提高电池的光电转换效率。

石墨烯与其他半导体材料的性能对比

（2）锂离子电池

石墨烯应用于下一代锂离子电池是当前研究的热点。锂离子电池通常以碳素材料作为负极，含锂化合物作为正极，通过锂离子在正负极间的移动实现电池的充放电功能。负极材料的组成和结构对锂离子电池的电化学性能具有决定性的作用。石墨烯在锂电池中的应用主要以负极材料为主，其优越的导电性、导热性及结构的稳定性，可综合提升电池的性能，相关研究正如火如荼地展开。

（3）超级电容器

超级电容器是一种介于传统电容器和二次电池之间的电化学储能装置。由于电导率高、比表面积大、抗氧化性好、耐高温、稳定性好等优势，石墨烯很适合作为超级电容器的电极材料。目前，石墨烯基电化学双层电容器在功率密度和能量密度方面远超传统电容器。但是，想要实现商业化还有很多问题需要解决。例如，石墨烯超级电容器的不可逆容量（充放电过程中由于副反应、表面官能团、内阻等因素导致的不可恢复的容量损失）仍然过高。未来，研究者可以通过改善石墨烯中的缺陷或者选择更好的电解液来进行改进。

●环境保护

近年来，随着科技的进步和人类活动的日益频繁，环境承受了巨大的压力，环保问题已成为21世纪人类面临的重大难题。石墨烯具有比表面积大和力学性能优异等特点，这使其在污水处理、大气处理、海水淡化等节能环保领域有广阔的应用前景。

2012年，东南大学科研团队首次报道了石墨烯材料的超高效吸附特性及在油水分离和污水处理等方面的潜在应用。实验结果表明，石墨烯海绵可以吸附超过其自身质量800倍以上的污染物，并且可实现污染物的99%脱附及海绵材料的多次循环使用。经过多年的努力，这一研究目前已逐渐实现产业化，用于多个城市河道的污水处理，例如云南滇池的水处理等。在大气雾霾防护方面，借助功能化石墨烯的超大比表面积优势，可以实现对雾霾颗粒的长时间高效吸附，基于此机理制成的“石墨烯基防霾口罩”，解决了市场现有口罩（主要靠静电吸附）佩戴1小时左右就因静电遇水汽迅速消失导致的防霾失效的问题。近几年，石墨烯吸附材料日益成为环保领域的研究热点。

●生物医学

石墨烯在生物医学领域的应用主要体现在两个方面。一是单层石墨烯的应用，主要用于第三代基因测序系统，即基于石墨烯纳米孔的直接测序，目前着重要解决的问题是石墨烯纳米孔的精准加工/集成与DNA过孔速度的有效调控。二是氧化石墨烯（GO）的应用，GO含有大量的含氧官能团，因此具有良好的生物相容性，且GO比表面积大，非常适合用作药物载体，并可通过非共价键作用吸附芳香药物，实现药物装载和输送。此外，利用石墨烯制备生物传感器还可以进行疾病检测。上海交通大学的科研团队将石墨烯和其他纳米粒子相结合，制备了用于呼气检测和唾液检测的生物传感器，其具有超高的灵敏度。当然，不管是纳米药物输运、生物检测还是疾病治疗，这些生物医学应用都还停留在实验研究层面。

●复合材料

石墨烯可以与其他材料进行复合，从而获得性能优异的新型复合材料。石墨烯在复合材料上的应用主要是利用其优异的导电、导热及力学性能等。例如，与其他类型的导电填料相比，石墨烯大的比表面积使其更容易形成导电通路，从而大幅度降低导电填料的添加量。目前，重防腐涂料的研制就是基于此方面的优势，石墨烯的添加可以大大降低锌粉的添加量。同时，石墨烯优异的力学性能，还可以使基体树脂的力学性能显著提升，主要应用领域有导电塑料、导电橡胶、导电油墨等。此外，石墨烯增强金属基复合材料在航空航天领域也有着潜在的应用。在金属基复合材料中引入石墨烯，得到的复合材料具有轻质、高强度、高耐磨等优异性能。以上复合材料制备的核心问题是如何实现石墨烯在基体材料中的均匀分散，尤其在连续大量制备过程中，此问题更加突出。

石墨烯的产业化

石墨烯的产业化是各个国家和各级政府机构关注的焦点，我国石墨烯的整体研发水平走在国际前列。目前，中国在该领域的SCI论文发表数量和专利的申请数量上均位居国际首位。在石墨烯产业化的推进上，全国已呈现较好态势。江苏、浙江两省对石墨烯产业化的推进速度最快，常州、宁波两地成为我国石墨烯产业化的先行者。常州已形成较为完整的石墨烯研发、制备、应用产业链，成立了全球第一家石墨烯研究机构——江南石墨烯研究院，这也是国内首个基于石墨烯材料及应用的产业化基地。

虽然石墨烯产业发展前景广阔，但是目前石墨烯产业化尚处于萌芽阶段，仍有很多问题亟待解决。中国石墨烯的研究和产业化多是依赖高校科研院所和小型企业，与美国、欧盟相比，缺少大型企业及国家/政府层面的政策和资金支持；石墨烯研发机构与下游相关产品生产企业之间合作交流不够，产业从研发到应用转化速度慢；市场炒作严重，部分企业在对石墨烯产业尚未熟知的情况下盲目跟风、重复操作运营；部分高校、企业急功近利，空有专利数量，却鲜有创新。此外，石墨烯高质量且环保的量产制备、结构与性能的精准表征与调控、微加工工艺水平的提升等技术问题需取得实质性突破。

石墨烯产业的突破非一朝一夕所能做到，作为21世纪的“新材料之王”，国家和政府应从长远角度对石墨烯的核心技术着手布局，建立高端研发机构，对其给予政策和资金上的支持引导。企业应该针对人们的切实需求设计生产产品，做到为民所用。上下游企业也应深入合作，发挥各自优势，并将其转化为实际产品。同时，国家应建立、健全行业规范，避免恶性竞争。对于石墨烯的应用产业化，我们不应局限于当今时代的产品，而应放宽眼界，更多地关注引领未来的核心技术。

石墨烯相关产品的鉴别

目前，关于石墨烯的相关产品鱼龙混杂、良莠不齐，普通百姓很难鉴别。其原因除了市场的规范和相关标准的缺失外，主要来自以下两个方面的误导：一是个别无石墨烯产品的公司假借石墨烯之名虚假宣传甚至借名上市套取现金；二是个别媒体宣传有时过度夸大石墨烯的应用，很多都是科研界刚刚证明有某种应用的可能，但真正实现可能需要十几年或更长时间的不断摸索试验，这种夸大宣传很容易让百姓误认为已有此产品或马上可以看到此产品。

那么，如果想购买一件石墨烯产品，如何才能准确判断其真伪呢？笔者建议主要关注以下3个方面：(1)能够用多种表征方法（如SEM、TEM、AFM、Raman等）证明产品中确有石墨烯；(2)可以清晰说明此产品主要借助了石墨烯的哪些优异性能及相关机理；(3)产品在添加石墨烯前后有哪些性能上的提升。以上3条，若有一条无法满足（即无法准确证明产品含石墨烯、说不清石墨烯的核心作用或产品无任何性能的提升），都不能算基于石墨烯的撒手锏式产品。消费者在购买石墨烯相关产品时，若销售者能够准确并令人信服地答出以上3个问题，则可以考虑购买该产品。