石墨烯的产业意义及应用领域

　　发现石墨烯

　　石墨烯本身就存在于自然界中，把石墨烯一层层叠起来得到的就是石墨，我们日常使用的铅笔，其主要组成就是石墨，厚1毫米的石墨大约包含300万层石墨烯。当我们用铅笔在纸上轻轻划过时，留下的痕迹就可能是几层石墨烯。

　　对石墨烯的研究最早可追溯至1840年，德国科学家Schafhaeutl声称：石墨的层间靠范德华力结合，此作用力较弱，因此石墨的层间可插入小分子的酸或碱金属，制得石墨的层间复合物；1859年，英国化学家Brodie在Schafhaeutl研究基础上用强酸及氧化物（KCl03）制备出了层状结构更为疏松，且表面负载了官能团的氧化石墨；约1899年，Staudenmaier在氧化石墨制备过程中加入氯酸盐，使得石墨分层变得更薄。1962年Boehm etal．及其合作者发现通过水合肼、硫化氢及二价铁盐对氧化石墨的加热和化学还原分离可得到厚度为4.6A的碳的薄层。

　　直到2004年，英国曼彻斯特大学的两位科学家安德烈·盖姆（Andre Geim）和康斯坦丁·诺沃肖洛夫（Konstantin Novoselov）发现了一种非常简单的方法得到越来越薄的石墨薄片。他们从高定向热解石墨中剥离出石墨片，并将薄片的两面粘在一种特殊胶带上，撕开胶带，就能把石墨片一分为二。不断重复操作，薄片越来越薄，最后，他们得到了仅由一层碳原子构成的薄片——石墨烯，并共同获得了2010年度诺贝尔物理学奖，有关石墨烯的研究至此进入全新阶段。

　　神奇的石墨烯

　　石墨烯（Graphene）是一种以sp²杂化（即同一原子内由一个ns轨道和一个np轨道发生的杂化）连接的碳原子紧密堆积成单层二维蜂窝状晶格结构的新材料 ，具有优异的光学、电学、力学特性，在材料学、微纳加工、能源、生物医学和药物传递等方面具有重要应用前景，被认为是一种未来革命性材料。

　　享有“黑金”美誉的石墨烯是目前世界上最薄却最坚硬的新型纳米材料，几乎完全透明，只吸收2.3%的光，导热系数高于碳纳米管和金刚石。常温下，它的电子迁移率超过15000cm2/V·s，比纳米碳管或硅晶体高，而电阻率比铜或银低，是世上电阻率最小的材料。“黑金”不仅是对单层石墨烯制备成本的评估，更是对其发展前景的高度评价。目前，石墨烯常见的粉体制备方法为机械剥离法、氧化还原法、SiC外延生长法，化学气相沉积法（CVD）。

　　石墨烯的产业意义

　　伴随“中国制造2025”国家战略出台，石墨烯扶持力度持续加码，国家、地方政府等运用各种手段合力助推石墨烯产业发展。“中国制造2025”石墨烯产业技术路线图，明确了其产业化发展重点、方向和路径，指出当前已解决相关产品制备技术成本高、产品不稳定等问题，开发出了针对特定场合的多形态和特性石墨烯基材料的制备和结构调控技术。未来将重点突破以大规模、低成本、高质量、品质均一可控和多尺度为特征的石墨烯制备技术，大力发展石墨烯高精尖应用技术以及下游产品开发，不断拓展石墨烯相关产品应用领域。

　　由此可见，石墨烯产业爆发式增长态势已基本形成，对石墨烯技术的研究也从如何制备转移至扩大应用。当前，一些具备石墨烯生产能力的公司还停留在应用试验和研究阶段，真正涉足高端应用领域者较少，且年产能大多不超过百吨级，高效、高质量、低成本量产石墨烯成为石墨烯产业发展的关键环节。

　　随着国家政策扶持力度、资本投入加大以及先进制备技术的突破，预计未来5~10年，石墨烯产量有望突破年产能千吨级，甚至达到万吨级。据国内外各机构数据分析显示，各行业对石墨烯需求量在不断增加，近期主要集中在汽车、塑料、涂层、建筑、金属、电池、航空以及能源和储能领域，中长期来看主要集中在电子、光电及储能领域，市场应用前景广阔。

　　石墨烯的应用领域

　　01

　　能源领域

　　石墨烯由于比表面积较大、导电性能和物理性能优异，可以用于制作超级电容器和太阳能电池同时，石墨烯优异的电学性能和化学性能使其在电极材料和电池材料的制作中广泛应用，使用石墨烯改进锂离子电池的储电性能是当前研究的热门领域。此外，石墨烯还可以作为催化剂用于燃料电池，以及作为吸附剂用于储氢材料的研制。

　　02

　　材料领域

　　由于石墨烯在光学、电学、力学、化学等各方面的优异表现，石墨烯可以用于很多种材料的制作或改良，例如制作半导体器件、显示器、超高性能的芯片、高分子复合材料、导电涂料以及电池电极材料。此外，石墨烯复合材料也是当前研究的热门领域．以石墨烯为基础的各种复合材料在不同方面对其性能进行了改良，因而具有更加广泛的应用前景。

　　03

　　环境领域

　　在环境领域，一方面石墨烯作为一种相对环保的材料可以直接替代那些污染较重的材料，减少环境污染尤其是石墨烯作为新型材料在能源领域的应用，既可以提高能源的利用效率，又可以代替某些高污染的材料，对节能减排具有重要贡献。同时，其在环境污染治理和检测方面也有重要应用，经过改性的石墨烯材料具有良好的吸附性能和催化性能，已被用于海水淡化和污水处理。

　　04

　　生物医药

　　生物医药领域由于具有超高的比表面积和表面活性，经过表面修饰的石墨烯可作为有效的药物载体进行药物输送，在提高载药量的同时实现靶向输送和药物的控释或缓释，从而提高疗效。这在抗癌药物和基因治疗药物的靶向运输中具有很好的应用前景。同时，石墨烯纳米材料具有明显的抗菌效果和良好的生物相容性，可用于抗菌材料的研制或作为抗菌物质 的载体。此外，稳定的化学性能和独特的光学性能使石墨烯在生物成像和疾病诊断方面也具有优异的表现。

　　未来石墨烯产业的发展

　　未来，科研人员寻求高性能石墨烯的低成本制备技术，运用科技创新力量，加强产业链延伸，探索石墨烯制备基础研究及产业化应用。目前相信在不久的将来，石墨烯材料的产品可以走进千家万户，为我们带来更好的生活体验。

　　编辑：黄飞