一文看懂什么是石墨烯？

石墨烯被广泛认为是21世纪的“神奇材料”，它的起源并不引人注目。这种二维材料最早于2004年问世，当时曼彻斯特大学(University of Manchester)的两位教授使用透明胶带从一块石墨上剥下石墨烯薄片。

这种材料是碳的结晶同素异形体，与钻石和石墨具有相同的特性。简单地说，这三个碳原子都是由碳原子以不同的方式结合在一起构成的。例如，石墨由六角形晶格中的碳原子结合而成，而石墨烯则由单片石墨构成。

当然，仅仅知道石墨烯的组成并不能解释为什么这么多人对此感到兴奋。为了更好地了解石墨烯的应用前景，对石墨烯的基本原理(包括生产、用途和未来)进行简要概述。

石墨烯生产

如前所述，石墨烯的历史很短，2004年首次采用上述透明胶带法生产，现在也称为微机械剥离技术。石墨烯旗舰产品的使命是将石墨烯带出实验室，投入社会。该工艺的优势在于其廉价和低设备要求。也就是说，透明胶带方法不能大规模执行。因此，开发了其他生产方法。

例如，石墨烯可以通过化学气相沉积在碳化硅和其他基底上生长。除此之外，当天然石墨被放入溶液中时，石墨烯薄片就可以形成。石墨烯旗舰产品称，直接化学合成还可用于制造“几何形状清晰的小型石墨烯结构”。

然而，到目前为止，世界各地的科学家仍在研究大规模生产石墨烯的新方法。2017年1月，堪萨斯州立大学的物理学家获得了一项三步法生产三种元素石墨烯的专利。科学家们使用了火花塞、氧气和碳氢化合物气体等材料，据说这种方法有助于石墨烯的快速大规模生产。

2018年4月，麻省理工学院(Massachusetts Institute of Technology)的一个团队发布了自己的批量生产石墨烯的方法，使用的是卷对卷法，这是一种制造薄箔的常用方法。然后，工程师们使用化学气相沉积加热箔片，并将其暴露在碳和其他气体的混合物中。

近年来，许多公司也开始利用自己的方法来生产石墨烯。其中一个例子是NanoXplore (TSXV:GRA)，该公司计划在2020年建成一座年产1万吨石墨烯的工厂。这些只是一些机构和公司试图使大规模石墨烯生产成为可负担得起的现实的例子。

石墨烯的应用

最先制造石墨烯的教授们最终凭借他们对这种材料的研究获得了诺贝尔奖，而对石墨烯所能做的事情的快速一瞥，就很容易明白其中的原因。

正如《卫报》所解释的那样，石墨烯令人印象深刻的一系列特性包括:导电性能优于铜，不透气性好，强度是钢的200倍，但重量是钢的6倍，而且“几乎完全透明，因为它只吸收2%的光”。此外，“可以在其表面添加化学成分来改变其性质。”曼彻斯特大学在解释这些特性如何发挥作用时指出，石墨烯正在许多行业取得进展，比如交通、医药、电子、能源、国防和海水淡化。

具体的例子,说明石墨烯可用于未来的电池空间在2015 -研究人员发现,这种材料可以双锂离子电池的寿命,后上升到前台特斯拉(纳斯达克:厂商)开设了锂离子电池gigafactory。三星(KRX:005930)自2017年以来一直在研究一种石墨烯电池，为其手机提供续航动力。据推测，三星公司2019年的旗舰手机Galaxy S10将使用石墨烯电池，但最终没有实现。

石墨烯的另一个潜在应用领域是透明导电薄膜。

据《R&D》杂志报道，这些元件被用于需要电压/电流和光输入/输出的光电子应用，如OLED照明、pholtovoltaics和触摸屏。

石墨烯的应用也在其他几个地方进行了探索。例如，Directa Plus (LSE:DCTA)正在开发基于石墨烯的纺织品，并于2018年推出了世界上第一款石墨烯增强牛仔裤和夹克，同时与Arvind签署了一项协议，开发石墨烯产品在印度销售。

与此同时，第一石墨烯公司一直在测试其作为纳米流体冷却剂的PureGraph产品，称该产品的导热系数比传统的冷却方式提高了60%。首先，石墨烯还在采矿业测试了它的产品，可以延长设备的磨损寿命。

未来的前景

展望石墨烯领域的未来，IDTechEx研究公司预计，到2027年，石墨烯行业的年产量将达到3800吨，价值超过3亿美元。尽管如此，该研究公司预计该行业至少在2021年前仍将处于“产能过剩状态”。IDTechEx研究指出，到2027年，储能和复合材料等行业将占据石墨烯市场的大部分，分别占25%和40%。

研究机构outlet Markets和Markets表示，到2020年，全球石墨烯市场规模将达到约2.79亿美元，2015年至2020年的增长率为42.8%。该公司表示，推动这一增长的是亚太地区，预计该地区将拥有全球最快的增长速度。市场和市场显示，该地区的增长将主要依赖于其高经济增长率、制造业、低劳动力成本和不断增长的石墨烯应用专利。

类似地，研究和市场表示，石墨烯市场预计将在2018年至2026年间以40%的复合年增长率(CAGR)增长。印刷电子产品需求的增长将是该行业的驱动力之一。到2025年，石墨烯的市场规模将达到5.523亿美元，年复合增长率将达到38%。石墨烯的电子应用收入将是主要贡献因素。