关于石墨烯产业
面临问题的几点思考

■ 张琳

　　自2010年石墨烯获得诺贝尔物理学奖，其发展可谓如火如荼。但经过了近10年研究，至今没有相应的石墨烯产品问世，不禁让人怀疑石墨烯是否真的那么好。虽然有实实在在的理论数据，但发展至今石墨烯也有着不可回避的问题。　　
概念不清晰
  　“石墨烯”的字眼可以说家喻户晓，但截至目前，并没有一个清晰的定义。严格来讲，石墨烯是一种由碳原子以sp2杂化轨道构成的单层片状结构的二维材料。根据2013年中国石墨烯标委会发布的第1号标准《石墨烯材料的名词术语和定义》，石墨烯是一种二维碳材料，是单层、双层和少层石墨烯的统称。单层石墨烯是指由一层以苯环结构周期性紧密堆积的碳原子构成的一种二维碳材料；两层为“双层石墨烯”；3~10层的为“少层石墨烯”。实际上，单层石墨烯与10层的少层石墨烯性质完全不同。另外，定义中并未提到石墨烯的片径大小以及内部结构。理论上，常温下石墨烯稳定性尺寸受限，目前还不能根据人们意愿来控制尺寸。片径大小不同，性能也会存在差异。完美的石墨烯内部结构应该是呈蜂巢晶格的碳碳六元环，但实际上石墨烯内部会有很多缺陷，缺陷过多的石墨烯性质与理论石墨烯也会相差甚远。　　
成本居高不下
　　虽然石墨烯量产生产线投产的消息经常见诸报端，但目前石墨烯的价格仍然居高不下。现有的石墨烯制备方法按照机理的不同大致可分为两种：一种是自上而下法，另一种是自下而上法。前者是以石墨为原料，通过剥离天然或人工石墨制备石墨烯；后者则是沉积组装碳原子制备石墨烯。两种方法制备出的石墨烯质量不同，成本也不同。
　　1. 自上而下法制备的石墨烯
　　现已探明全球天然石墨储量约为7100万吨，其中，中国储量约为5500万吨，占全球储量的77%，居世界首位。因此，在中国以石墨为原料制备石墨烯无疑具有巨大的资源优势。现在国内量级制备石墨烯的方法均是采用这种以石墨为原料的自上而下方法，该方法最大的优势在于制备简单，价格低廉，目前市售价钱在1000元/千克左右。国内已建成数条生产线，全国的产能在7000吨左右。但无论是何种形式的从石墨剥离制备石墨烯，所制备的石墨烯层数较多，缺陷也较多。
　　2. 自下而上法制备的石墨烯
　　自下而上法制备的石墨烯是以甲烷、乙炔等含碳气体为原料，金属为催化剂，高温下在金属表面催化生长出石墨烯。该方法制备的石墨烯质量较高，但成本也较高，每克市售价钱甚至在千元。国内现在有三家左右的企业可以批量制备，规模年产百万平米。
　　尽管两种方法都能实现量产，但石墨烯的应用并没有如期发展，这是阻碍石墨烯成本降低的一个重要原因。　　
应用前景不明朗
　　石墨烯一问世就广受关注，是因为石墨烯具有无与伦比的优异性能，人们普遍预测“石墨烯在电子、信息、能源、材料和生物医药等领域具有重大的应用前景，可望在21世纪掀起一场新的技术革命”。可以说近些年人们就石墨烯在各领域的应用都进行了大量探索，结果也表明很多领域有很好的应用前景，但离真正应用却还有一定距离。这主要是实际制备的石墨烯或者在应用过程中石墨烯所表现出来的性能与理论值存在一定差距。
　　按上面提到的两种方法制备的石墨烯由于质量不同，用途自然也不同。自上而下制备的石墨烯通常也被称为粉体石墨烯，多用于超级电容器、锂离子电极导电添加剂、导电油墨、聚合物复合材料等。但粉体石墨烯遇到的问题，一是本身制备的石墨烯比表面积不够，理论上石墨烯的比表面积为2630m2/g，而实际制备的石墨烯的比表面积远低于这个值。另一方面是石墨烯片层在使用过程中会出现团聚，这在石墨烯聚合物复合材料中表现尤为明显。
　　自下而上制备的石墨烯最让人期待的是替代氧化铟锡（ITO）作为触摸屏，因为理论上单层石墨烯导电性好，几乎完全透明，单层石墨烯薄膜从紫外、可见到红外波段的透光率均高达97.7％，而且石墨烯还具有高韧性，能够拉伸20%而不断裂，使用石墨烯作为导体材料，能够制成可以折叠、伸缩的显示器件。目前，已有多家公司制造出了样品，但又迟迟没有成熟的产品问世。其实目前所有所制和宣称的大尺寸单层石墨烯并不是完整的一张单层石墨烯，而是由几十微米大小的单层石墨烯(或者说石墨烯单晶)拼接而成，而拼接处存在褶皱状边界，这导致石墨烯的方阻值与ITO相比还不是很理想。
　　
　　一种新材料从出现到应用往往都要经过很长时间的沉淀，石墨烯也不会例外。据不完全统计，全国各地已有20家在建或已建成的石墨烯研究院或产业基地。石墨烯的发展仍然在以高速前进着，大家也都开始意识到了石墨烯产业化面临的问题，相信再经过一些年的石墨烯会有突破性的成绩。