石墨烯六大應用領域全面分析

石墨烯是一種二維晶體，由碳原子按照六邊形進行排布，相互連接，形成一個碳分子，其結構非常穩定；隨著所連接的碳原子數量不斷增多，這個二維的碳分子平面不斷擴大，分子也不斷變大。單層石墨烯只有一個碳原子的厚度，即0.335納米，相當于一根頭發的20萬分之一的厚度，1毫米厚的石墨中將將近有150萬層左右的石墨烯。石墨烯是已知的最薄的一種材料，并且具有極高的比表面積、超強的導電性和強度等優點。上述優點的存在是其擁有良好的市場前景。

領域一：導電油墨

導電油墨是用導電材料制成的油墨，具有一定程度導電質，可作為印刷導電點或導電線路之用。近年來在手機、玩具、薄膜開關、太陽能電池、遠紅外發熱膜以及射頻識別技術等行業中應用越來越廣泛。過去數十年，導電油墨最大的下游是太陽能電池以及顯示器件。未來包括觸摸傳感器及其電極、RFID以及電子紙張的應用也將同時保持增長。

石墨烯導電油墨具有強大優勢，發展前景看好。導電油墨屬于填充型復合材料，是印刷與燒結處理后具有導電性能的油墨。石墨烯應用在油墨的優勢主要有兩點：一是兼容性強，石墨烯油墨可在塑料薄膜、紙張及金屬箔片等多種基材上實現印刷;二是性價比高，與現有的納米金屬導電油墨相比，石墨烯油墨具有較大的成本優勢。

由于石墨烯的良好性能，其制成的油墨具有電阻小、導電性強以及光學透明性高等特點，在各類導電線路以及傳感器、無線射頻識別系統、智能包裝、醫學監視器等電子產品中有廣泛應用。2015年導電油墨的產量也已達到80萬噸。預計到2015年導電油墨產量將達到130萬噸，隨著石墨烯的生產技術成熟、成本降低，石墨烯導電油墨將逐漸占據市場份額。預計到2020年導電油墨領域石墨烯應用市場規模達到2億元。

領域二：傳感器

石墨烯因其獨特的二維結構在傳感器中有廣泛的應用，具有體積小、表面積大、靈敏度高、響應時間快、電子傳遞快、易于固定蛋白質并保持其活性等特點，能提升傳感器的各項性能。主要用于氣體、生物小分子、酶和DNA 電化學傳感器的制作。新加坡南洋理工大學開發出了敏感度是普通傳感器1000 倍的石墨烯光傳感器;美國倫斯勒理工學院研制出性能遠超現有商用氣體傳感器的廉價石墨烯海綿傳感器。

領域三：生物材料

石墨烯類材料在生物領域有著多方面的應用，其中氧化石墨烯可以制成納米抗菌材料，抗菌性源于其對大腸桿菌細胞膜的破壞。由于其具有豐富的材料來源，這種新型的晶體材料有望在環境檢測和臨床醫學領域得到廣泛應用。

2010年3月，國家納米科學中心方英課題組和美國哈佛大學Lieber課題組合作首次成功制備石墨烯與動物心肌細胞的人造突觸的相關研究結果，此次合作建立了一維、二維納米材料與細胞相結合的獨特研究體系，將為生物電子學的研究帶來新的機遇。由于石墨烯還具有毒性低、比表面積大等優異性能，在藥物載體方面蘊含著潛在的應用價值。Hu等采用一步合成法制備了普郎尼克PF127/石墨烯復合物，可以有效負載阿霉素，負載率可達到289%，并且在生理溶液中具有很高的穩定性和分散性。

此外，研究人員還制備了殼聚糖-石墨烯復合物固載葡萄糖氧化酶（GOD）生物傳感器，GOD具有快速電子轉移性質，靈敏度為37.93μA?L/（mmol?cm2），其線性檢測范圍為0.08～12mmol/L，因此對葡萄糖的檢測呈現出優異性能。使用PEG包裹熒光標簽的納米石墨烯片（nanographene sheets，NGS）在活體內異種皮膚腫瘤移植熒光成像中表現出了高腫瘤攝取率，這表明石墨烯在腫瘤治療方面具有很大的潛力。石墨烯作為載體的復合物在模擬天然酶方面也具有很大的應用，利用簡單方法制備出的氧化石墨烯- Fe3O4磁性納米復合物具有天然酶所不能及的高活性、廣泛的溫度和pH值依賴性，石墨烯更以其共軛平面結構對底物分子的富集以及與底物之間的快速電荷轉移，對模擬酶活性的提高起到很大的輔助作用。

領域四：儲能材料

石墨烯在能源存儲方面也有著舉足輕重的作用，氫能一直以來都被看作是非常優質的能源，但由于它的密度低、易爆炸的特點，儲氫材料一直是人們研究的熱點，石墨烯類材料的出現將在氫能存儲中得到廣泛的應用。希臘大學研究人員Froudakis等設計了新型3D碳材料，當這種新型碳材料摻雜了鋰原子時，石墨烯柱的儲氫量可達到6.1%（質量分數）。Ataca等［22］利用第一性原理平面波法得到石墨烯被鈣原子摻雜后儲氫量可到達8.4%（質量分數），鈣原子會留在石墨烯表面，有利于循環使用。Chen等利用二維石墨烯片摻雜鈀納米顆粒后再混合活性炭受體，用作儲氫材料。實驗證明，這種材料在10MPa下儲氫量為0.82％（質量分數），比不含石墨烯的鈀材料提升了49％，而且此材料的吸附是高度可逆的。

石墨烯具有特殊的二維柔性結構，在制作高能、柔韌和微型超級電容器等方面有很大的潛力。Peng等將MnO2納米片與石墨烯混合制成柔性平面超級電容器，這種平面結構不僅引入更多的電化學表面吸附/解析電解液離子，而且提供更多的界面用于充放電過程中電荷的傳輸。其電化學比容量可達到233F/g，7000次充放電循環后仍可保持92％的 容量。

領域五：鋰電池

石墨烯在鋰離子電池中的應用比較多元化，目前已經實現商業化的是用在正極材料中作為導電添加劑，來改善電極材料的導電性能，提高倍率性能和循環壽命。目前比較成熟的應用是將石墨烯制成導電漿料用于包覆磷酸鐵鏗等正級材料。正極用包覆漿料目前主要包括石墨漿料、碳納米管漿料等，隨著石墨烯粉體、石墨烯微片粉體量產、成本持續降低的情況下，石墨烯漿料將呈現更好的包覆性能。石墨烯漿料將隨鋰電池增長而穩步上升。鋰離子電池主要應用于手機、筆記本電腦、攝像機等便攜式電子器件等方面，并積極地向電動力汽車等新能源汽車領域擴展，具有長期發展前景。

由于石墨烯對于電池性能有諸多提升作用，對動力電池性能要求的不斷提升必將拉動石墨烯在電池領域的發展。同時石墨烯電池行業規模有望充分受益于動力電池的放量，分享新能源汽車行業的增長。

領域六：半導體材料

石墨烯被認為是替代硅的理想材料，大量有實力的企業均開展了石墨烯半導體器件的研發。韓國成均館大學開發出了高穩定性n型石墨烯半導體，可以長時間暴露在空氣中使用。美國哥倫比亞大學研發出石墨烯-硅光電混合芯片，在光互連和低功率光子集成電路領域具有廣泛的應用前景。IBM 的研究人員開發出了石墨烯場效應晶體管，其截止頻率可達100GHz，頻率性能遠超相同柵極長度的最先進硅晶體管的截止頻率（40GHz）。

石墨烯行業發展現狀

石墨烯產業最大的瓶頸在于還沒有形成完整的產業鏈，目前仍沒有一種可以應用石墨烯的產品能夠規?；a，對石墨烯最大的需求仍然是各大院校及科研機構的研究使用。

石墨烯在國內市場上從研發到應用的時間需要5-10年，需達到成熟的產業規模時間則會更長。而國內目前并沒有上市公司的主營業務生產石墨烯，只有幾家生產碳纖維產品的公司正在進行石墨烯產品的研制，目前都沒有大規模量產的能力。

不過，在國家及地方政府的支持下，近幾年我國石墨烯產業化快速發展，初步構建起以石墨烯原材料、研發、制備、應用為主體的產業鏈。截至2015年我國從事石墨烯產業的企業已突破千家，產業化應用已在不斷推進。

隨著政府的積極介入，石墨烯產業已經初步形成政府、科研機構、研發和應用企業協同創新的“官產學研”合作對接機制，良性發展態勢有助于石墨烯企業充分享受地方政策、稅收優惠以及資金支持，未來產業化發展有望加速。