石墨烯是双层碳原子，将一个碳原子与周围的三个碳原子结合形成蜂窝状结构。 理想的双层石墨烯片由一层致密的碳六元环组成，没有任何结构缺陷，长度约为0.35nm。 它是迄今为止最薄的二维纳米碳材料。 石墨烯是目前自然界中最薄、强度最高的材料，其断裂硬度是最好的钢材的200倍。 同时具有良好的弹性，拉伸幅度可达自身规格的20%。 目前，石墨烯的量产主要有氧化还原法和物理液相沉积法（CVD）。 其中，氧化还原法的原料为石墨，CVD法的原料为乙烷、乙炔等含碳氨。 目前的趋势是生产缺陷最少的高质量石墨烯。 因此，CVD 方法在大多数应用中使用得更为频繁。
石墨烯应用领域
由于石墨烯具有优异的复合性能，其下游应用虽然尚未实现产业化，但其潜在的应用领域非常广泛。 在这些潜在的应用领域中，重点应该放在复合材料、过滤器、储能、晶体管、传感器、柔性透明电极等方面。石墨烯的特性组合使其得到广泛应用。 然而，应该注意的是，此类应用通常需要石墨烯的导电性或机械性能。 这导致石墨烯在每个应用领域都具有竞争材料，并且与它们相比，石墨烯表现不同。
◆轻质复合增强材料
在交通运输领域，尤其是民航、航天和车辆行业，大部分应用都需要轻质复合增强材料。 用碳复合材料代替金属实现汽车轻量化，可以有效提高能源效率。 政府对汽车能效的大力推动也部分促进了行业的发展。 在替代轻质材料的过程中，石墨烯将发挥重要作用。
石墨烯的性能远远超出了该应用领域的需求。 石墨烯是迄今为止人类已知的最坚硬的物质，可与单壁碳纳米管媲美； 比碳纤维硬20倍； 和极高的拉伸硬度。 此外，自下而上的合成允许石墨在铜或镍泡沫上生长。 借助催化金属进行蚀刻会产生微孔、轻质石墨烯泡沫。
石墨烯在轻质复合增强材料领域的应用有两大优势：一是多层氧化石墨烯，可作为3D打印材料； 另一种是可以在催化泡沫金属上合成3D石墨烯或石墨烯气凝胶，其密度仅为0.16g/cm³，是目前最轻的材料。 然而，与其他材料相比，石墨烯作为一种轻质复合增强材料，也存在较高的成本局限性。 纤维、纳米纤维和碳纳米管更容易制成高性能和低成本的复合材料。 石墨烯纳米带性能较好，但无法制备，价格较高。
◆生物医学传感
生物医学传感是一种对生物物质敏感并将其含量转换成联通号码进行检测的仪器。 将固定化的生物敏感材料作为识别器件，与适当的理化传感器和信号放大器件相结合，构成分析工具或系统。
与碳纳米管相比，石墨烯也是一种理想的生物传感器材料。 它具有碳纳米管的廉价、环境友好、生物相容性、活性官能团分布均匀等优点。 同时，由于富含大量的甲基、羟基等基团，石墨烯具有良好的熔融性能，这是碳纳米管所不具备的。 另一种方法是使用石墨烯和金属薄膜传感。 由于石墨烯可以紧密结合生物分子，因此可以提高传感的灵敏度。 石墨烯结合得越紧密，感应的电磁屏蔽效果就越小。
与其他材料相比，石墨烯可以与现有材料竞争或优于现有材料，但可能不如其他无机二维材料。 碳纳米管、纳米粒子、纳米罐功能化 MEMS 和半导体二维材料（例如氮化物）也都具有直接功能，其灵敏度在很大程度上取决于受体材料和介质。
◆过滤器
许多行业都需要过滤，包括物理产品的分离、生物样品的纯化、海水的净化等。由于石墨烯具有良好的阻隔性能、纳米孔隙可调、层宽可控，因此在过滤器领域的应用非常突出。
过滤石墨烯的方法有两种：一种是通过石墨烯薄膜的孔隙过滤。 因为净水等过滤会带来更高的压力，所以过滤介质需要有更大的硬度，而合成石墨烯一般缺陷较少，可以算是一种优良的过滤介质。 石墨烯生产工艺的创新进一步增强了这一优势。 可调节的孔隙率有利于过滤，因为只有大于孔隙率的材料才能被过滤掉。 通过控制氧化介质的加入时间，可以进一步控制石墨烯孔隙的大小。 第二种是将薄膜边缘朝上放置，以便材料可以穿过石墨烯之间的层宽。 这些方法主要用于海水淡化。 由于石墨烯层宽大于海水中的水合离子，多层氧化石墨烯可用于过滤。
与其他材料相比，石墨烯有缺点：石墨烯的孔径与硅藻土相似，长期以来一直用于渗透汽化淡化海水，但最新研究证明，硅藻土也可用于反渗透海水淡化。 据悉，硅藻土的孔隙率比石墨烯更可控。
◆DNA测序
石墨烯在 DNA 测序中的应用看起来很有前途，但市场还不成熟，现在将其与竞争材料进行比较还为时过早。 石墨烯 DNA 测序背后的原理是使用基于石墨烯的电子传感与纳米孔相结合。 让单个DNA分子通过石墨烯电子传感，就像一串珠子穿过细密的铁丝网，进而实现实时、高通量的单分子测序。 除此之外，还有许多其他类型的 DNA 测序，每种在成本、测序时间和准确性方面各有优缺点。 与其他几种方法相比，石墨烯纳米孔具有通量低和双层测序不准确的缺点，而多层石墨烯的使用可以显着提高准确性。 使用石墨烯进行 DNA 测序的好处是可以长时间读取，而无需将长链 DNA 分解成小片段。 因此，这些方法具有低成本和高可移植性。
目前，DNA测序方法有很多种，很难确定哪一种会主导市场。 初步调查结果表明，成本和确定性将是最大的驱动因素。 由于石墨烯传感的成本效益，随着DNA测序在医疗行业的部署，石墨烯有望得到更广泛的应用。
◆透明电极
透明电极可广泛应用于显示器、触摸屏和太阳能电池板等领域，市场规模超过10亿欧元。 但由于铟的稀缺性，其价格仍在下跌，业界仍在寻找能够替代氧化铟锡的材料。 据悉，随着人们对柔性电子技术关注度的不断提高，与刚硬易碎的氧化铟锡相比，新型透明电极更具柔性。 双层石墨烯的透明性和导电性使其在该领域得到了较为广泛的应用。 石墨烯的长度和透明度有关。 假设在90%透明度下柔韧性只能达到15Ω/m²，这基本上适用于所有应用。 双层石墨烯可以实现这些薄层内阻，而大面积石墨烯则没有额外的结内阻。
由于竞争技术的出现和铟产值的下降，石墨烯在透明电极中的使用受到限制。 但石墨烯可用于柔性电子产品，在这方面它优于其他纳米技术。 随着对 ITO 替代品的需求下降，已经开发并商业化了多种替代品。 石墨烯和ITO的主要竞争材料是金属纳米片、碳纳米管和金属网。 已经研究了提高透明度和结内阻的技术。
与过去 10 年工业化的其他材料相比，石墨烯目前表现不佳。 例如 Inc.只能做到30Ω/m²，透明度90%，模糊度小于0.6%； Inc.的亚微米金属网只能做到5Ω/m²，透明度96%，模糊2%； 而我国南京石墨烯企业可以做到150Ω/m²，透明度84%，模糊度小于1%。 由于均匀性，石墨烯薄膜可以减少模糊。 石墨烯纳米带的性能优于其他材料，其内阻会降低。 石墨烯与纳米技术的结合更有前途，因为石墨烯可以进一步提高内阻和导热性。
◆储能
能量存储可用于广泛的应用，包括便携式电子产品、汽车和可再生能源的存储。 由于环境保护的要求，可再生能源和新能源汽车的发展将促进该行业的发展。 用于长期放电和快速放电的电池和超级电容器需要大面积的材料来积累和储存电荷。 电池的电极也需要具有高导电性。 石墨烯长期以来一直被研究用于电池和静电单层电容器。 对于这种应用，最好使用高质量的石墨烯，比如三维石墨烯，即石墨烯泡沫和气凝胶。 高比表面积允许更大的能量容量； 微米大小的孔可以让电解液快速通过材料。
石墨烯，尤其是石墨烯泡沫，与现有标准电池相比具有显着优势。 随着人们对储能应用越来越感兴趣，石墨烯电极有望广泛应用于电池和超级电容器。 石墨烯在储能领域的竞争对手是活性炭和石墨。 活性炭是一种具有高比表面积和纳米级孔隙的高性价比材料，使其成为有力的竞争者。 由于活性炭目前用于高端电池，石墨烯电极必须性能极佳才能成为新的储能标准。
与石墨烯相比，活性炭的主要缺点是孔隙之间的连通性有限，从而限制了电子传输。 由于现有活性炭生产方法的局限性，基本上不可能实现间隙互连的可控性。 最近的研究表明，通过将碳源转化为相互关联的碳源，可以显着提高活性炭的性能。 借助三维石墨烯，提高了石墨烯电极的性能。 表面积的减少大大增加了可以储存的能量。
◆晶体管
晶体管是电子产品的基础，并且趋势是向更小、更高效的晶体管发展。 以石墨烯为开关材料的晶体管受到了学术界的广泛关注。 晶体管控制电子的流动，电子具有下载流子或上载流子的量子热特性。 石墨烯的高迁移率使其具有潜在的场效应。 据悉，石墨烯可以将电子的载流子容量保持在微米级。 石墨烯是一种不完美的载流子电子有源器件，载流子-轨道耦合度低。 用石墨烯操纵电子载体是不可能的。 掺杂石墨烯改善了载流子轨道耦合，即石墨烯作为载流子晶体管的开关材料还需要进一步创新。
由于过渡金属配合物等竞争材料的更高性能，石墨烯作为高性能晶体管和载体电子的活性元素的应用受到限制，但作为复合增强材料仍然很有前途。 石墨烯本质上不是半导体。 竞争对手包括所有类型的半导体，从多晶硅等半导体到碳化物等二维半导体。
石墨烯在该应用中的主要缺点是它是一种带隙为零的金属。 在没有带隙的情况下，石墨烯具有相对较高的关断电压。 引入带隙可以通过两种方式解决这个问题：掺杂和量子规范效应。 掺杂的稳定性和石墨烯纳米带的边缘效应都会产生影响。 但过渡金属配合物等半导体二维材料作为活性元素的性能优于石墨烯。 而石墨烯将电子载流子保持在载流子电子距离内的能力极为罕见。 鉴于这些稀有性，石墨烯很可能在该领域发挥作用。 由于石墨烯不是理想的载体电子有源元件，因此需要积极研究石墨烯、碳化物等复合材料来制作载体电子元器件和控制电子载体。
石墨烯产业化发展面临的挑战
根据全球新材料发展史可以看出，新材料获得商业成功的途径有两种，一种是获得实时收益，另一种是经过多年研究找到利基应用，以及最终发展成广泛的应用。 但是一种新材料最终会被另一种新材料所取代。
石墨烯不同于那些较新的材料，其应用领域正在快速发展，而这些快速下滑也将促使更多的公司进入市场。 石墨烯的商业化将比其他新材料快得多。 石墨烯最初的商业化产品是对现有产品的迭代改进，例如加大头盔、改进现有产品的涂层等。 这些方法不需要在实验室中找到市场领先的突破性功能。 然而，要使石墨烯广泛用于其他应用，它需要优于其他竞争材料。 常年预测，一旦实验室级性能石墨烯实现大规模商业化生产，这些领域的应用将带动石墨烯更大规模的生产和应用。
也就是说，可以实现潜在突破性应用的新型石墨烯现在正在商业化生产。 由于现有生产制备技术的创新，未来10年内将出现大规模商业化。
1、优质石墨烯成本高
优质石墨烯供应量少、价格高，尤其是定制石墨烯的应用，短期内将限制石墨烯的发展。 据悉，新型石墨烯的批量化生产还需要进一步创新，如三维石墨烯、纳米纤维、石墨烯泡沫等，新型石墨烯可用于更多领域的应用，其生产对石墨烯的发展至关重要。行业。
2、应用市场太多，缺乏重点
石墨烯的应用领域太多，缺乏重点，导致石墨烯的发展可能性多种多样，这将限制石墨烯产业的下滑速度。 由于存在不同类型的石墨烯，并且尚未完全了解每种石墨烯的最理想应用，因此探索其所有应用领域非常重要。 石墨烯针对不同应用的发展方向有很多，目前的研究还没有集中在最有前景的方向上。 此外，复合材料性能优良，发展前景良好。 但由于石墨烯的发展处于中期，开发难度很大，导致开发周期较长。
3.制备和处理过程的局限性
要想实现产业化，必须依靠石墨烯的独特性能，但只有双层无瑕疵的石墨烯才具有石墨烯独有的特性。 因此，实现高质量石墨烯的生产尤其具有挑战性，尤其是要实现商业化生产。 石墨烯层之间相互吸引，这使得石墨烯的制备非常困难，而剥离的石墨烯通常有几层，而不是双层。 与碳纳米管类似，需要强酸才能完全剥离高含量双层石墨烯。 然而，通过CVD制备石墨烯更难避免多层。 采用成核生长法合成石墨烯会形成多重碳化物，因此存在氢键缺陷。 将沉积限制在双层膜上也非常困难。 众所周知，将石墨烯从催化表面转移到所需的基板会产生缺陷。 因此，迫切需要技术创新来克服 CVD 合成石墨烯的这些挑战。
4、来自其他新材料的竞争
石墨烯因其特性而独一无二。 而且，由于单个应用程序仅使用部分功能，因此每个应用程序都具有强大的竞争技术。 对于每一种应用，都有几种极具竞争力的替代技术。 有些优于石墨烯，或与石墨烯竞争。 这限制了石墨烯在某些领域的应用。
全球石墨烯市场发展现状及预测
一、全球石墨烯市场发展现状
●石墨烯市场处于起步阶段
由于石墨烯是十多年前开发的，目前石墨烯市场还处于起步阶段，主要包括一些生产和供应企业。 根据最近一份关于石墨烯的市场报告，在过去的几年里，石墨烯行业呈现出快速而稳定的下滑趋势。 近期年均复合跌幅超过30%，高达60.7%。 目前企业收入主要来自研发生产企业，而所有经营最终产品的下游应用初创企业几乎没有收入。 整个行业的销售额都在下降，但某些石墨烯生产公司的表现不如先前预期。 石墨烯生产技术的快速发展导致石墨烯生产商广泛使用专有技术。 一些石墨烯制造商被淘汰。 拥有专有的自下而上合成方法，获利400万欧元，但4年后倒闭。 据悉，通用石墨烯也盈利870万港元。 该公司已经从生产石墨烯转变为生产透明导电氧化物/金属复合物。
石墨烯生产企业个股表现不佳
虽然市场整体下跌，但石墨烯和石墨生产商的库存继续减少。 这主要包括几方面的诱因：一是很多关于石墨烯炒作和小供应企业倒闭的新闻报道减少，人们对石墨烯开发的热情已经破灭； 另一个是缺乏商业产品。 与其他纳米技术公司一样，由于炒作已被搁置且该公司尚未实现广泛的出价，股价已从其最高市值大幅上涨。 一旦石墨烯开始工业化应用，石墨烯市场有望下滑。 随着新进入者不断涌现，竞标可能是维持现有大企业市场地位的关键。
2、全球石墨烯细分应用领域市场下滑预测
预计未来10年，随着石墨烯应用的产业化，石墨烯产业将快速衰退。 石墨烯应用的驱动力将从学术实验室转向小型企业。 复合材料、储能、水净化和音频等应用的降幅最大。 石墨烯产业最大的细分领域将是替代碳纤维在民用航空航天领域的应用。 2020年以后，随着工业应用领域的发展，特别是海水淡化技术的普及，研发机构对石墨烯的需求将稳步下降，成为石墨烯工业应用的小规模部分。
●轻质复合增强材料领域
预计未来几年，复合增强轻量化材料领域将以年均5%~10.6%的复合率下滑。 复合材料在民用航空航天领域的应用将实现产值30亿欧元，复合材料在车辆上的应用将实现利税。 140亿港元。 该领域的产业发展重点是抢占低端轻量化应用的市场份额。 现有的应用市场主要以碳纤维为主。 其在民用航天复合材料领域的市场占有率达到73%，在车用复合材料领域的市场占有率达到3%。 . 未来石墨烯市场份额很可能取决于石墨烯气凝胶和交联氧化石墨烯膜的生产。 在这两个领域，石墨烯的技术优势远超其他竞争技术。
虽然复合材料产品已经开始使用，但预计民航、航天应用的急剧下降还需要3～7年； 而车辆应用的急剧下降需要5到10年的时间。 为此，未来需要准确评估应用在民用航天领域所能带来的收益； 严格控制3D石墨烯的生产加工，确保材料的一致性和可靠性。 随着3D石墨烯或纤维复合材料的不断研发，石墨烯的市场份额将进一步缩小。
●音响设备领域
音响设备的大规模使用导致石墨烯在消费电子领域的应用出现下滑，预计年复合下滑率将达到17%。 3D 石墨烯可实现更薄、更小、更高效的音频驱动器，因此 3D 石墨烯的可靠生产将进一步增加其市场份额。 未来3-5年，随着大型节能元器件领域对石墨烯的需求下降，预计石墨烯在该领域的应用将快速下滑。
●储能领域
未来几年，石墨烯在电池正极市场的应用将实现3亿欧元的产值，年均复合下降24%； 石墨烯在超级电容器市场的应用将达到1.4亿英镑，年均复合下降11%。 石墨烯泡沫或其他多孔三维石墨烯将得到广泛应用，其性能将超越目前需要替代的储能电极材料。 为了在未来扩大市场份额，需要改进现有3D石墨烯的生产并增加成本。 随着电动汽车的广泛应用，大容量电池需求的快速下降，以及包括再生制动和太阳能输出功率在内的应用需求下降，对超级电容器的需求增加。 预计未来石墨烯将用于该领域。 3～5年快速下降。
●净水领域
未来几年，石墨烯在净水领域的应用市场规模将达到120亿港元，年均复合递减率将达到13%。 海水反渗透淡化需要低成本、高通量的渗透膜，海水净化在该领域占据70%以上的市场份额。 只要整个海水淡化系统的产值快速上升，石墨烯就有可能迅速抢占市场份额。 预计未来3-5年石墨烯将实现产业化，在此期间需要较长的培育期。 随着石墨烯实现量产，2020年后将快速下降。
三、全球石墨烯市场空间预测
到2025年，石墨烯在多个领域的应用有望实现快速下滑，2017-2025年平均下滑幅度为72.8%（详见图）。 这意味着用于特定应用的石墨烯产量迅速下降，以及用于最有前途应用的石墨烯、碳纤维或其他标准材料的市场份额迅速下降。 未来几年，石墨烯的市场应用采用率预计将下降，因为在行业发展中期推出的初期产品将大大优于竞争对手。 在大规模生产 3D 石墨烯之前，任何意外的延迟都会减缓这些快速下降。
图 2017-2025年全球石墨烯市场空间预测
石墨烯产业发展趋势展望
一、石墨烯生产趋势展望
大规模生产高质量石墨烯的困难导致生产成本高。 当前生产趋势：一是努力克服高质量石墨烯量产加工的局限性。 现有客户大多来自学术或其他研究机构，由于他们的消费低，因此带来潜在的石墨烯供应短缺。 尤其是一些本已赚取数百万欧元利润的石墨烯生产企业相继倒闭，更加印证了人们对此的判断。 大部分石墨烯厂商纷纷扩大业务，多元化生产，生产新的应用产品，或投资应用企业。 二是现有小众石墨烯的生产，如交联氧化石墨烯、三维石墨烯、纳米薄片、纳米带、量子点等。 所有这些石墨烯都只是处于早期研究阶段，未来可以用于个别应用，而基础石墨烯正在逐步实现产业化。
2、石墨烯应用领域衰退点展望
因为大量的企业进入了石墨烯生产领域，但是基于新的生产方式，未来还会有更多的企业进入，而石墨烯的生产和制备还没有达到预期的快速下滑速度。 未来需要杀手级应用实现快速下降。
●增长点一：储能设备更轻、更小
石墨烯在更轻、更小储能器件领域的应用，将推动石墨烯生产、装备集成等应用领域的发展。 电池创新落后于其他先进消费电子领域的创新。 未来将进一步发展高导电率、微孔电极的大容量电池和超级电容器； 开发新型石墨烯，例如 3D 石墨烯，可以在保持高导电性的同时最大化表面积。 3D石墨烯潜在的大规模商业开发需要进一步转化为商业应用； 发展新型石墨烯在储能设施中的应用； 高纯石墨烯的制备方法有待进一步改进； 在取代现有标准方面，这种能源存储设备的新能力正在脱颖而出。
●增长点2：复合增强轻量化材料
石墨烯在超轻复合材料领域的应用，将推动石墨烯生产、设备集成、商业销售等应用领域的发展。 石墨烯泡沫和石墨烯气凝胶是最轻和最强的材料。 该材料在现有应用领域可以替代碳纤维等其他轻量化材料。 其应用范围从轻质民航材料到消费电子产品。 高效能球员等领域。 新型石墨烯将进一步实现规模化商业化发展。 因此，有必要进一步加强石墨烯生产企业与应用企业之间的合作。 随着创新的推动和知识产权保护的加强，其他对轻质材料要求更高的领域的应用将得到进一步发展。
