石墨烯專題深度報告：改變未來的關鍵材料

1、石墨烯專題深度報告：改變未來的關鍵材料石墨烯專題深度報告：改變未來的關鍵材料投資要點：超級材料石墨烯：單碳原子厚度賦予其無以倫比的獨特性能石墨烯是由碳原子組成的六角型呈蜂巢晶格材料，只有一個碳原子厚度。它發(fā)現(xiàn)于2004 年，并獲2010 年諾貝爾物理學獎。石墨烯的單原子納米結構賦予它許多無以倫比的獨特性能，它是迄今發(fā)現(xiàn)的厚度最薄、強度卻最高、結構最致密的材料，并擁有電學、光學、化學等卓越性能，激發(fā)了全球范圍內的石墨烯研發(fā)熱潮。它或將成為高速晶體管、高靈敏傳感器、激光器、觸摸屏以及生物醫(yī)藥器材等多種器件的核心材料。石墨烯：改變未來生活的關鍵材料近乎完美的性能，廣泛而廉價的原材料來源，石墨烯勢必將

2、帶來未來人類智能生活的巨大革新。建議關注目前開發(fā)石墨烯方向較為清晰明朗的幾大產(chǎn)業(yè)領域。電子材料領域：（1）柔性屏幕、可穿戴設備、太陽能充電：作為透明導電材料，石墨烯兼具高導電性和高透明性、高韌性（拉伸20%仍不斷裂），石墨烯能夠用于制作柔性電極，以及生產(chǎn)應用于觸摸面板、OLED 面板、太陽能電池的透明導電膜。（2）作為電極材料，石墨烯是絕佳的負極材料，其理論比容量是740780mAh/g，約為傳統(tǒng)石墨材料的2 倍多，將在鋰電池負極材料和超級電容器負極材料市場占據(jù)重要地位（3）作為替代硅的芯片材料，由于石墨烯電阻率極低，電子遷移的速度極快（單層石墨烯中的電子與空穴的載流子遷移率有望在室溫下達到硅

3、的100 倍即20 萬cm2/Vs，這一數(shù)值遠遠超過以往被認為載流子遷移率最大的7.7 萬cm2/Vs 的銻化銦）因此被期待可用來替代硅，成為更薄、導電速度更快的新一代電子元件或晶體管散熱材料領域：由于石墨烯的導熱率（5300W/mk）是常用散熱材料銅的近14 倍，石墨的3.5 倍。石墨烯有希望取代石墨，解決智能手機、計算機的散熱瓶頸，加速其整體性能的提高。環(huán)保監(jiān)測領域：功能化的石墨烯以及石墨烯的復合材料在污染物吸附、過濾等方面展現(xiàn)了巨大的應用前景。生物醫(yī)學領域：科學家發(fā)現(xiàn)石墨烯在細胞成像、干細胞工程、藥物投遞、腫瘤治療等生物納米技術領域有著廣泛的應用前景。產(chǎn)業(yè)化進程日新月異，實力不容小覷。石

4、墨烯從被發(fā)現(xiàn)到獲得諾貝爾獎只用了短短六年的時間，由它開啟的研究領域呈現(xiàn)了井噴的勢頭，幾乎每個月都有新興的研究方向被開辟出來。2013 年1 月，歐盟委員會將石墨烯列為“未來新興技術旗艦項目”之一，十年內提供10億歐元資助，將石墨烯研究提升至戰(zhàn)略高度。IBM、蘋果、三星等巨頭都分別成立了石墨烯專題組，將其作為未來產(chǎn)品柔性化、智能化的核心研發(fā)材料。石墨烯A 股投資標的詳解：建議關注金路集團（000510.SZ）、力合股份（000532.SZ）。風險提示：石墨烯材料產(chǎn)業(yè)化進程不達預期風險，相關上市公司研究成果不達預期風險。1、石墨烯：近乎完美的材料1.1、初識石墨烯石墨烯是一種由碳原子組成的六角型呈

5、蜂巢晶格的平面薄膜，只有一個碳原子厚度。石墨烯一直被認為是假設性的結構，無法單獨穩(wěn)定存在，直至2004 年，英國曼徹斯特大學物理學家安德烈·海姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫，成功地在實驗中從石墨中分離出石墨烯，而證實它可以單獨存在，兩人也因“在二維石墨烯材料的開創(chuàng)性實驗”為由，共同獲得2010 年諾貝爾物理學獎圖：電子顯微鏡下的石墨烯結構石墨烯具有卓越而獨特的電學、光學、力學、化學性能，因此在諸多領域展現(xiàn)出寬廣的應用前景。誘人的應用前景，使得旨在應用石墨烯的研發(fā)機會也在全球范圍內急劇增加。石墨烯或將成為可實現(xiàn)高速晶體管、高靈敏度傳感器、激光器、觸摸面板、蓄電池及高效太陽能電池等多

6、種新一代器件的核心材料。1.2、無與倫比的優(yōu)點圖：單原子尺寸賦予“神奇材料”石墨烯無以倫比的性能特點石墨烯具備各神奇性能，想象空間巨大。因為它的電阻率極低，電子遷移的速度極快，因此被期待可用來發(fā)展出更薄、導電速度更快的新一代電子元件或晶體管。其高透明性和高導電性，使其也適合用來制造透明觸控屏幕、光板、甚至是太陽能電池。石墨烯還可耐受1 億2 億A/cm2 的電流密度，是銅耐受量的100 倍左右，傳熱率與金剛石相當，加之其薄片形狀，所以石墨烯作為劃時代的散熱材料也是備受期待的。1.3、石墨烯將在未來各個領域大放異彩石墨烯應用尺寸從原子尺寸擴大到宇宙。許多研究機構及廠商已經(jīng)開始以具備多項穿透特性的

7、單層石墨烯為對象，研發(fā)新一代器件的實用化。石墨烯用途分為特殊尺寸用途，電子器件用途和構造體用途，其部分用途與CNT 重疊。圖：石墨烯的應用領域圖：石墨烯技術可適用的領域石墨烯在多個領域具有廣闊的應用前景。石墨烯應用的主要開發(fā)對象之一是利用石墨烯的高載流子遷移率及高遷移速度制作的THz 頻率的晶體管。理論上估計其工作頻率可達到10THz，石墨烯可替代晶硅應用在將芯片領域，將芯片速度提高到 THz 級別。由于其高導電性、高透明性的特質，石墨烯在太陽能電池領域也讓科研人員有所期待。1.4、各國積極布局石墨烯研究圖：主要國家、地區(qū)石墨烯主要研究進展目前主要國家和地區(qū)將石墨烯研究提升至戰(zhàn)略高度。2011

8、 年英國將石墨烯確定為今后重點發(fā)展的四項新興技術之一，英國石墨烯國家實驗室將于2015 年建成。2013 年，韓國產(chǎn)業(yè)通商資源部宣布，將整合韓國國內研究機構與企業(yè)力量推進石墨烯商業(yè)化發(fā)展，在國內形成石墨烯聯(lián)盟。2013 年1 月，歐盟委員會將石墨烯列為“未來新興技術旗艦項目”之一，十年提供10億歐元資助，將石墨烯研究提升至戰(zhàn)略高度。圖：石墨烯全球專利申請分布各國目前都在積極進行石墨烯的研究和專利布局。根據(jù)CNIPR 數(shù)據(jù)顯示，目前各國都在積極進行石墨烯應用的相關研究和專利布局。從2004 年開始，截止到2012 年6 月，全球范圍內，該領域專利申請已經(jīng)超過5000 件，其中美國、中國、日本專利

9、申請均接近或超過1000 件，美國更是超過2000 件。中國相關專利申請僅次于的美國，但與其他國家差距并不是很明顯。2、石墨烯的產(chǎn)業(yè)化應用前景圖：石墨烯材料按應用形式分類可在產(chǎn)業(yè)中應用的石墨烯材料主要分為兩類，一類是石墨烯薄膜，另一類是石墨烯微片。石墨烯薄膜是由單層或多層石墨烯構成的薄膜，又細分為單晶薄膜和多晶薄膜。其中，單晶薄膜可用于制造集成電路，但距離產(chǎn)業(yè)化的距離還很遙遠。多晶薄膜則有望在510 年內實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化應用，可替代ITO 玻璃用于制造觸摸屏（特別是柔性電子產(chǎn)品）和其他需要透明導電材料的應用領域。石墨烯的另一個類別石墨烯微片是由多層石墨烯（10 層以下）構成的微片，也可以細分為兩類，

10、一類是功能化的石墨烯微片，由于擁有含氧基團，可以應用在藥物、檢測和催化劑等特殊領域。另一類是較為純粹的石墨烯微片，可用于導電和導熱等多個領域。2.1、電子材料領域2.1.1、透明導電材料：實現(xiàn)柔性電極、可穿戴設備、高效太陽能電池等技術的關鍵石墨烯的高導電性、高透明性、高韌性，使其能夠用于制作柔性電極，以及用作觸摸面板、電子紙、OLED面板以及太陽能電池等的透明導電膜。圖：石墨烯性質優(yōu)于ITO高導電性、高透明性讓其可取代ITO。石墨烯具備較高的載流子遷移率且厚度較薄。一般來說，高透明性與高導電性是互為相反的性質。從這一點來看，ITO 正好處在透明性與導電性微妙的此消彼長關系的邊緣線上（圖7）。這

11、也是超越 ITO 的替代材料遲遲沒有出現(xiàn)的原因。高韌性讓其超越ITO。除了高導電性和透明之外，石墨烯的另一個特性是具有高韌性，能夠拉伸20%而不斷裂。而且石墨烯觸摸屏合成對環(huán)境無害，需要資源少，并且隨著生產(chǎn)工藝的不斷改進，生產(chǎn)成本有望大大低于傳統(tǒng)ITO 觸摸屏。圖三星公司展示的石墨烯柔性屏幕 圖可穿戴設備：讓隱形眼鏡能做Google 眼鏡可以做的事目前諾基亞、三星、LG 均在進行該領域的研發(fā)，希望在極具前景的柔性手機領域占據(jù)先機。此外，韓國科學家利用石墨烯的這些特點，用石墨烯銀納米導線成功地在普通的軟性隱形眼鏡表層加入一個發(fā)光二極管(LED)，使隱形眼鏡可以顯示圖像，那么其他傳感器都可以放臵到

12、隱形眼鏡上，可以讓薄薄的隱形眼鏡發(fā)揮最大的潛力。由此可見，石墨烯讓電影小說里的種種科幻片變?yōu)楝F(xiàn)實了。石墨烯油墨打印高導電柔性電極，能應用于包括智能電話、平板電腦、平板顯示器和太陽能電池。2013 年美國西北大學科學家使用含有微小石墨烯薄片油墨，以噴墨打印模式，打印出導電性能提高250 倍、折疊時電導率僅有輕微下降的柔性電極。因為所有的電子設備和電路需要高導電性和高解析度的電子接點和互連， 所以石墨烯油墨在未來可被用于電子設備和電路的組裝之中，生產(chǎn)折疊式電子設備。圖：電子轉移途徑在剝離的石墨烯/鋅酞菁類混合體中的情形石墨烯太陽能電池前景可期。石墨烯具有對所有紅外線的高透明性。美國科學家通過對石墨

13、烯材料進行摻雜處理，獲得了具有能量轉化率高（8.6%）的摻雜石墨烯太陽能電池，研究人員表示如果石墨烯太陽能電池的能量轉化率達到10%，且保持生產(chǎn)成本足夠低，那么它們將成為市場上有力的競爭者。圖：石墨烯觸摸屏的工作原理示意圖 圖：組裝好的石墨烯觸摸屏面板石墨烯觸摸屏的工作原理。觸摸屏由上下兩層粘在PET 薄膜上的石墨烯構成， 沒有接觸的情況下，兩層石墨烯被下層上放臵的絕緣點陣阻隔而互不接觸。當外界壓力存在的時候，PET 薄膜和石墨烯在壓力下發(fā)生形變，這樣上下兩層石墨烯就發(fā)生接觸，電路聯(lián)通。接觸的位臵不同，器件邊緣電極收集到的電信號也不一樣，通過對電信號的分析，就可以確定是觸摸屏上的哪個位臵發(fā)生了

14、接觸。圖：20102017全球平板電腦出貨量預測 圖：20102016 中國平板電腦出貨量預測平板電腦需求的增加給石墨烯觸摸屏的應用提供了廣闊的空間。IDC 的報告表明，平板電腦全球市場增長速度快于預期，消費者正日益傾向使用平板電腦來滿足基本的計算需求，如瀏覽網(wǎng)頁、查閱電子郵件、觀看視頻。IDC 預測2017 年全球平板電腦出貨量將達到4.1 億臺。就中國市場來看，2011 年平板電腦出貨量已經(jīng)位居世界第二位，市場份額達到8%，但是相比PC 傳統(tǒng)產(chǎn)品約10%的全球市場份額，仍舊具有潛在的增長空間。在經(jīng)歷了近年的市場導入期之后，增長率會有所降低。2016 年中國平板電腦出貨量將達到1.5 千萬臺

15、。圖：20092012 全球智能手機出貨量預測圖：200102012 中國智能手機出貨量除了平板電腦，智能手機的普及也促使觸摸屏的需求大增。根據(jù)IDC 統(tǒng)計，2012 年全球智能手機出貨量達到了7.2 億臺，而來自工信部的統(tǒng)計，2011 年我國移動智能終端出貨量超過1.1 億部，超過2011 年之前我國歷年移動智能終端出貨量的總和，實現(xiàn)了歷史的跨越，在2012 年出貨量達到了2.58 億部。2.1.2、電極材料鋰電池負極材料：助力提升其整體續(xù)航力鋰離子電池正、負極電位差產(chǎn)生的電能，使得鋰離子可逆性嵌入或脫嵌負極材料從而實現(xiàn)充放電。圖：全球鋰電池負極材料占比石墨碳占97%的鋰電負極材料市場。目前

16、鋰電池使用的負極材料主要是石墨碳， 按材料特性可分為三類，即天然石墨、人造石墨及中間相碳微球，總計約占97% 的負極材料市場。表：石墨烯優(yōu)異的比容量目前作為主要鋰電池負極材料的石墨碳的理論比容量僅為372mAh/g。石墨具有結晶的層狀結構，易于鋰離子在其中的嵌入/脫嵌，形成層間化合物LiC6，是一種性能穩(wěn)定的負極材料。但石墨負極理論比容量僅為372mAh/g，因此要實現(xiàn)鋰離子電池高比能量化，必須研發(fā)高容量的負極材料。石墨烯大的比表面積和良好的電學性能決定了其在鋰離子電池領域的巨大潛力。因為石墨烯由單層碳原子排列而成，所以鋰離子不僅可以存儲在石墨烯片層的兩側，還可以在石墨烯片層的邊緣和空穴中存儲

17、，其理論容量為740780mAh/g， 約為傳統(tǒng)石墨材料的2 倍多。此外，采用石墨烯作為鋰離子電池負極材料，鋰離子在石墨烯材料中的擴散路徑比較短，且電導率較高，可以大幅提高其倍率性能。各國對新能源汽車的大力推廣，勢必會使得未來對于鋰離子電池的需求量保持持續(xù)增長?？萍疾繃摇笆濉笨茖W和技術發(fā)展規(guī)劃和工信部的節(jié)能與新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃(20112020)都提出了要大力發(fā)展新能源汽車。節(jié)能與新能源汽車產(chǎn)業(yè)已被列入國家重點支持的七大戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，未來十年推廣應用純電動汽車500 萬輛的戰(zhàn)略目標和階段目標也已出臺。圖：20002012 全球鋰電負極材料供給量 圖：20002011 中國鋰電負極材

18、料供給量鋰電負極材料需求將繼續(xù)增長。根據(jù)IIT 的數(shù)據(jù)，2011 年中國負極材料供應量達9450 噸，2011 年全球負極材料供應量達28430 噸，2012 年達到32027 噸，并預測到2015年全球負極材料供應量將達到35000 噸。超級電容器負極材料：良好的功率特性和超快充放電速度 圖：普通電容器和超級電容器結構對比超級電容器是靠極化電解液來存儲電能的新型電化學裝臵。超級電容器在電動汽車、混合燃料汽車、特殊載重汽車、電力、鐵路、通信、國防、消費性電子產(chǎn)品等眾多領域有著巨大的應用價值和市場潛力，已被世界各國所廣泛關注。表：超級電容器與電池相關指標比較（不包含實驗室數(shù)據(jù)）超級電容器突出的特

19、點使其可在許多領域包括新能源車中廣泛使用。超級電容器具有以下主要特點：很高的功率密度；極長的充放電循環(huán)壽命，可達10 萬次以上；非常短的充電時間；貯存壽命極長，幾乎是無限的；可靠性高，維護工作極少；適用溫度范圍寬，可在4070 使用，滿足車輛動力系統(tǒng)在低溫環(huán)境下的啟動，安全性高。圖：石墨烯電極材料示意圖碳質材料是目前研究和應用很廣泛的超級電容器電極材料。用于超級電容器的碳質材料目前主要集中在活性炭、活性炭纖維、炭氣凝膠、碳納米管和模板炭等。而自從石墨烯被成功制備以來，人們開始探索這種碳質材料在超級電容器中的應用。石墨烯基的超級電容器具有良好的功率特性。由于石墨烯具有極高的理論比表面積，結構上屬

20、于獨立存在的單層石墨晶體材料，故石墨烯片層的兩邊均可以負極電荷形成雙電層。且石墨烯片層所特有的褶皺以及疊加效果，可以形成的納米孔道和納米空穴，有利于電解液的擴散。圖：用DVD刻錄機制成的微型超級電容2013年3月加州大學洛杉磯分校的研究人員發(fā)明了一種以石墨烯為基礎的微型超級電容器，令人稱奇的是，該電容器不僅外型小巧，而且可以在數(shù)秒內為手機甚至汽車充電。這種電容器用僅有一個原子厚度的碳層制成，其充電和放電的速度比標準電池快100 倍甚至1000 倍。目前超級電容器在新能源汽車領域充當輔助角色。當前的混合動力汽車、插電式混合動力汽車以及燃料電池汽車都配備了用來儲存能量的電池，因此，超級電容技術想介

21、入新能源汽車領域，還需要一段很長的發(fā)展過程。從目前來看，超級電容器可扮演輔助主動力電池的角色，既可起到緩沖作用，又可延長主動力電池的壽命，同時還可增強充放電效果。圖：全球超級電容器用于運輸行業(yè)和能量存儲的銷售額超級電容器在未來十年將是運輸行業(yè)和自然能源采集的重要組成部分。其中， 用于裝配在啟停系統(tǒng)車輛的超級電容器，將成為其在未來的主要銷售渠道，預計在2016 年的全球市場將達到2.7 億美元，2020 年將超過3.5 億美元。2.1.3、芯片材料：硅的替代者石墨烯的電阻率極低，電子遷移的速度極快，因此被期待可用來替代硅，成為更薄、導電速度更快的新一代電子元件或晶體管。表：石墨烯優(yōu)良的載流子遷移

22、率單層石墨烯中的電子與空穴的載流子遷移率有望在室溫下達到硅的100 倍即20萬cm2/Vs，這一數(shù)值遠遠超過以往被認為載流子遷移率最大的7.7 萬cm2/Vs 的銻化銦。MIT 開發(fā)太赫茲級石墨烯芯片，為光信號傳輸處理開辟新領域。受美國國家科學基金會(NSF)和空軍科學研究局資助的MIT 研究人員們透過在兩層鐵電材料間夾進高遷移率的石墨烯薄膜，從而實現(xiàn)可直接在光信號上操作的太赫茲(THz)級頻率芯片。這種新材料堆棧可望帶來比當今密度更高10 倍的內存，并打造出能直接在光信號上操作的電子組件。圖：石墨烯與輝鉬礦（MoS2）結合制成的新型閃存在缺電情況下仍然可用的新型閃存。瑞士洛桑聯(lián)邦理工學院通過

23、將石墨烯和MoS2 兩種具有優(yōu)越電性能的材料結合，制成了能在缺乏電力的情況下仍然保持數(shù)據(jù)正常儲存的新型閃存。這對于照相機、手機、筆記本電腦和打印機等電子設備而言很有吸引力。這種晶體管也將為制成更具柔性的納米電子器件提供幫助。圖：20052050 年全球多晶硅需求量預測 圖：20052050 年中國多晶硅需求量據(jù)中國有色金屬工業(yè)協(xié)會硅業(yè)分會預測，2015 年，2020 年，2050 年全球多晶硅的需求量會達到24 萬噸、50 萬噸和400萬噸，其中中國多晶硅需求量分別為17 萬噸、30 萬噸和250 萬噸。能否替代硅的關鍵能帶隙問題已獲解決由于石墨烯極高的電子遷移率，很有可能替代硅，用于切換速度

24、更快的新一代電子元件。石墨烯本身是零能隙的，直接做場效應管室溫開關比不超過10，遠不能滿足實際器件的需要。打開石墨烯的能隙同時維持高的載流子遷移率成為石墨烯研究領域最為重要的問題之一。圖：石墨烯能帶構造因形狀和層數(shù)而異單層石墨烯的能帶構造是價電子帶與傳輸帶通過一個“Dirac 點”相接的特殊構造。因此沒有帶隙。而且，能量與運動量成正比。這種構造使其產(chǎn)生了普通物質所不具備的特殊性質，包括有效質量為零，極高的載流子遷移率以及克萊因穿隧特性等。石墨烯和硅的混合電路可以互相補充，提升性能。三星高級技術協(xié)會（SAIT） 在石墨烯-硅之間嵌入肖特基管實現(xiàn)了on、off 轉換，芯片頻率可以輕易提升上百倍。而

25、最近奧地利、德國和俄羅斯的科學家們合作研發(fā)出一種新方法，構建出一種新奇且高質量的處于一層石墨烯保護和覆蓋下的金屬硅化物結構，可以很好地讓“神奇材料”石墨烯同現(xiàn)有占主流的硅基技術“聯(lián)姻”，制造出在半導體設備等領域廣泛運用的石墨烯-硅化物。能帶調控取得進展。近期，北京大學物理學院呂勁、高政祥課題組在能帶調控研究上取得重要進展，他們發(fā)現(xiàn)把石墨烯夾在平面的六角BN 片之間，足可以打開石墨烯0.16 eV 的能隙。對該三明治結構加上垂直電場，能隙可以進一步提高到0.34 eV?？紤]多體效應作GW 修正后，能隙增加50%以上，可以滿足實際邏輯器件的需要。由于結構完整性得到保持，石墨烯的高遷移率在能隙打開后

26、仍然可以維持。2.2、散熱材料領域表：石墨烯與其他散熱材料性能比較石墨散熱性能優(yōu)異，而石墨烯是更優(yōu)于石墨的材料。石墨散熱片，是一種全新的導熱散熱材料，具有獨特的晶粒取向，沿兩個方向均勻導熱，片層狀結構可很好地適應任何表面，屏蔽熱源與組件的同時改進消費類電子產(chǎn)品的性能。表：20092012 全球智能手機出貨量預測 表：20102012 中國智能手機出貨量石墨散熱材料應用在智能手機、平板電腦和LED 照明燈具等，主要受益于多核智能手機需求增長。隨著智能手機對于處理速度需求增加，四核處理器在智能手機的滲透率迅速增加。處理器核數(shù)的增加容易導致芯片溫度過高，因此需要具備更高散熱性能的散熱裝臵。國產(chǎn)智能手

27、機使用的CPU 一般都會使用到的石墨散熱片，三星、蘋果、華為、聯(lián)想等廠商均有手機使用了石墨散熱膜。預計未來隨著四核智能手機出貨量的提升石墨散熱膜需求將會大幅提升。圖：20122016 全球LED 照明需求 圖：20122016 中國LED 照明需求LED 照明需求趨勢散熱材料需求增加。據(jù)NPD Displaysearch 報告，聚光燈、LED 燈具、路燈、LED 燈泡和熒光燈管等所有LED 照明產(chǎn)品的需求將于2016 年達到9 千萬個。2012 年到2016 年間，由于政府補貼、“十二五”規(guī)劃，驅動了LED 路燈需求，所以LED 照明在中國市場的成長力度將高于其他地區(qū)。2.3、環(huán)保監(jiān)測領域對石

28、墨烯進行氧化處理，使其成為優(yōu)異的核清理劑。美國、俄國科學家最近發(fā)現(xiàn)原子厚度的氧化石墨烯薄片能快速地吸附在天然和人造的放射性核素上，并凝結成固體。氧化石墨烯的較大表面積決定了其吸附毒素的能力很強，而且吸收速度非?？臁５统杀竞涂缮锝到獾奶刭|也使氧化石墨烯成為了滲透性反應墻技術的合適之選，這對于原位地下水的修復而言具有相當?shù)囊饬x。對石墨烯進行磺酸基功能化處理，使其成為優(yōu)異的有機物吸附劑。進行石墨烯與有機污染物之間可以產(chǎn)生非常強的絡合反應,從而對有機污染物有很強的吸附能力。但在溶液中,石墨烯易于團聚,從而會降低自身的吸附能力。中科院科學家在石墨烯表面進行磺酸基功能化處理,不但可以提高石墨烯的分散性,

29、而且可以提高石墨烯的吸附能力。研究結果顯示,這種功能化石墨烯對萘和萘酚的吸附能力達到了每克2.4 毫摩爾,是目前吸附能力最高的材料。史上最輕固體物質“碳海綿”有望在環(huán)保領域大放異彩。浙江大學科學家以石墨烯為墻壁，碳納米管為支架制成的碳海綿對有機溶劑有超快、超高的吸附力，是已知的吸油力最強的材料，可用來處理海上原油泄漏事件把“碳海綿”撒在海面上，就能把漏油迅速吸進來，因為有彈性，吸進的油又擠出來回收，碳海綿也可以重新使用。碳海綿有望用在吸油、環(huán)保、航天、軍工等方面，還可能成為理想的相變儲能保溫材料、催化載體、吸音材料以及高效復合材料。成本低、產(chǎn)量大的石墨烯脫鹽技術。美國現(xiàn)有洛克希德馬丁公司和MI

30、T 的兩組工程師在嘗試用石墨烯來淡化海水。相比脫鹽工廠目前使用的“反滲透”的聚合膜， 人工打孔的石墨烯膜的好處在于空隙大小可以優(yōu)化設計并且完全一致，而且孔隙是筆直的，可以加速水分子通過的速度。使得淡化海水所需的壓力比聚合物脫鹽系統(tǒng)小得多，所以成本會降低1520%，而產(chǎn)量會大得多。洛克希德馬丁公司預計在今年年底研制出原型薄膜，并在一家逆滲透海水淡化廠進行測試，公司預計可在明年或后年大量生產(chǎn)新薄膜。如果進展順利，這種石墨烯膜并可應用于污水處理和家用凈水器，給社會帶來便捷。2.4、生物醫(yī)學領域石墨烯可用于快速、低成本的高精度基因電子測序以及生物傳感器。由于導電石墨烯的厚度小于DNA鏈中相鄰堿基之間的

31、距離以及DNA四種堿基之間存在電子指紋，因此，石墨烯有望實現(xiàn)直接的，快速的，低成本的基因電子測序技術。早在2010年，研究發(fā)現(xiàn)，石墨烯表面可以很好地吸附DNA 上的苯環(huán)狀結構，石墨烯-金復合體與DNA 分子相互作用的復合體可以有效地吸附單鏈DNA 分子， 破壞ssDNA的螺旋結構，使它平鋪在石墨烯表面，其中的堿基與石墨烯表面直接接觸，從而顯著降低STM 測量中DNA螺旋結構帶來的噪聲。將石墨烯-金復合體為STM基底，對DNA 進行掃描，能夠清晰的分辨出DNA 中的四種不同類型的堿基。此研究成果在生物納米術領域有著廣泛的應用前景，例如生物器件、生物傳感器，以及高精度DNA 測序等等。石墨烯助力開

32、發(fā)“綠色”抗生素。隨著研究的深入，科學家發(fā)現(xiàn)石墨烯在藥物投遞、腫瘤治療等生物納米技術領域有著廣泛的應用前景。最新研究表明，當石墨烯接觸到細菌的細胞膜后，能誘導細菌細胞膜上的磷脂分子脫離細胞膜并“攀爬”上石墨烯表面。分析指出石墨烯獨特的二維結構使其可以與細菌細胞膜上的磷脂分子發(fā)生很強的色散相互作用，從而實現(xiàn)石墨烯對細胞膜上磷脂分子的大規(guī)模直接抽取。這樣，石墨烯通過物理作用殺死細菌，為開發(fā)新型抗耐藥的“綠色”抗生素提供了可能。目前，研究人員已經(jīng)開始測試“石墨烯創(chuàng)可貼”的想法，并成功制備了耐清洗和具有長時間抗菌能力的石墨烯棉布。石墨烯對神經(jīng)突起發(fā)生和生長具有促進作用。中科院科學家發(fā)現(xiàn)石墨烯不僅對神經(jīng)

33、細胞具有良好的生物相容性，且對神經(jīng)突起發(fā)生和生長具有顯著促進作用。近期，科學家發(fā)現(xiàn)制得的三維石墨烯支架不僅能促進神經(jīng)干細胞的增殖，還能夠一定程度上誘導神經(jīng)干細胞定向分化為功能神經(jīng)元。這一發(fā)現(xiàn)將在神經(jīng)組織工程及神經(jīng)干細胞移植治療等領域得到應用。3、CVD 法是最具產(chǎn)業(yè)化條件的石墨烯制備路徑2004 年，英國曼徹斯特大學的科學家使用機械剝離法首次制備并觀察到單層石墨烯。開啟了石墨烯材料的研究熱潮，新的石墨烯制備方法層出不窮，比如化學剝離法、化學刻蝕法、離子體刻蝕法、電化學法、電弧法、溶劑熱法等。然而，低成本、大面積、高質量的石墨烯宏量制備技術仍是當前此領域所面臨的的主要困難和挑戰(zhàn)。目前主要制備方法

34、有四種：機械剝離法、化學氣相沉積法、外延生長法、氧化還原法。其中，最有可能率先突破產(chǎn)業(yè)化瓶頸的是化學氣相沉積法。該法簡單易行，可操作性強，且能制備大面積石墨烯膜，與柔性屏幕、可穿戴設備等產(chǎn)業(yè)方向的要求較為一致。圖：石墨烯的制備方法比較：CVD 法最符合石墨烯產(chǎn)業(yè)化要求機械剝離法微機械剝離法可以制備出高質量石墨烯，但不能滿足工業(yè)化、規(guī)模化的生產(chǎn)要求。兩位英國科學家從石墨中剝離出石墨片，然后將薄片的兩面粘在一種特殊的膠帶上，撕開膠帶，就能把石墨片一分為二。不斷地這樣操作，于是薄片越來越薄，最后，他們得到了僅由一層碳原子構成的薄片，這就是石墨烯。因此，兩人在2010 年獲得諾貝爾物理學獎。該方法目前

35、只能用于實驗室制備?；瘜W氣相沉積法（CVD 法）是指反應物質在氣態(tài)條件下發(fā)生化學反應,生成固態(tài)物質沉積在加熱的固態(tài)基體表面，進而制得固體材料的工藝技術。具體方法是先在基底表面形成一層過渡金屬薄膜，以此金屬膜為催化劑，以CH4 為碳源，經(jīng)氣相解離后在過渡金屬膜表面形成石墨烯片層，最后通過酸液腐蝕金屬膜得到石墨烯。常用的過渡金屬有Cu，Co，Pt，Ir，Ru 及Ni 等。外延生長法SiC 外延法可得到單層或少數(shù)層較為理想的石墨烯, 但是成本較高。且SiC 本身就是一種性能優(yōu)異的半導體材料，與目前的Si 基半導體工藝相兼容( 不需要轉移), 因此這種方法生長的石墨烯是最有可能實現(xiàn)C 基集成電路的有效

36、途徑之一。但是單晶SiC 的價格昂貴，石墨烯的制作成本非常高，而且生長條件也很苛刻，目前還難以實現(xiàn)大面積制備，不利于后續(xù)石墨烯的轉移( 需要轉移的時候, 很難做到只腐蝕基底SiC 而不破壞石墨烯結構)，所以主要用于以 SiC 為襯底的石墨烯器件。氧化還原法氧化還原法成本低廉，但是可能降低石墨烯屬性，還會造成環(huán)境污染。是指將天然石墨與強酸和強氧化性物質反應生成氧化石墨(GO)，經(jīng)過超聲分散制備成氧化石墨烯(單層氧化石墨)，加入還原劑去除氧化石墨表面的含氧基團，如羧基、環(huán)氧基和羥基，得到石墨烯。氧化還原法制備成本低廉且容易實現(xiàn)，成為制備石墨烯的最佳方法。但是在氧化還原過程中，非常容易發(fā)生不可逆轉的

37、團聚現(xiàn)象，而且石墨烯的電子結構以及晶體的完整性容易受到強氧化劑的破壞，進而影響石墨烯的屬性。4、石墨烯國內外企業(yè)產(chǎn)業(yè)化進展4.1、國外產(chǎn)業(yè)化進展IBMIBM 公司是在通道層采用石墨烯的高速晶體管開發(fā)方面最積極的企業(yè)之一。該公司曾于2008 年開發(fā)出了第一個石墨烯晶體管，并在 2010 年12 月的國際學會“IEDM2010”上發(fā)布了柵長 240nm、截止頻率為 230GHz 的石墨烯FET。2011 年，研制出了首款由石墨烯圓片制成的集成電路，向開發(fā)石墨烯計算機芯片前進了一步。2012 年9 月,在OLED 技術研討會上，IBM 的研究人員宣布，已制作出采用碳材料單層石墨烯作為透明電極的OLE

38、D 元件，并獲得了與采用ITO 時幾乎相同的發(fā)光特性。圖：IBM 近年石墨烯研究進展三星產(chǎn)品化的競爭方面：三星處于領先地位。三星日前宣布他們已經(jīng)能夠打造含有石墨烯材料的晶體管，這可以讓他們進一步制造“靈活顯示設備、可穿戴設備以及其他下一代電子產(chǎn)品”。圖：三星近年石墨烯研究進展三星擁有有關石墨烯晶體管的工作方式和結構等9 項核心專利。2010 年6 月， 韓國成均館大學（SungkyunkwanUniversity）與日本名城大學教授飯島澄男合作， 用石墨烯制作出了30 英寸的柔性透明電極薄膜。韓國三星尖端技術研究所（SAIT） 在IEDM2010 會議上發(fā)布了通道層使用石墨烯的高速動作型RF

39、電路用 FET（電場效應晶體管）。2012 年三星電子綜合技術院研發(fā)出了不改變石墨烯本身也可隔離電流的器件，將其命名為“GrapheneBarristor”。東芝實現(xiàn)石墨烯與銀納米線復合透明電極的大面積化。近日，東芝研究員利用銀納米線的高導電性和石墨烯的出色阻隔性能，制作出了此次的透明導電膜（薄膜電阻值為4.9/，光透射率在75以上（波長為550nm 時），薄膜的尺寸為250px見方），同時實現(xiàn)透明導電膜的高性能和高耐久性。解決了制作透明導電膜時，銀納米線和石墨烯膜各自的缺陷（銀納米線的光透射率與導電性相互矛盾；石墨烯：導電性比較低）。諾基亞諾基亞力挺石墨烯作為未來超級材料。諾基亞從2006

40、年開始對石墨烯進行研究， 于2011 年5 月參與了歐洲石墨烯旗艦項目，并于2013 年2 月獲得該項目資助撥款13.5 億美元。圖：諾基亞傳感器示意圖（俯視） 圖：諾基亞傳感器示意圖（截面）諾基亞著力研發(fā)石墨烯光傳感器。諾基亞2012 年8 月獲得了采用了石墨烯的光傳感器專利，該傳感器在光吸收層和前臵放大器用FET 通道層采用兩層石墨烯。該傳感器構造簡單，材料成本低，能夠檢測紫外線、可見光和紅外線燈大范圍波長的光，可也檢測只有12 個光子的微弱光線。 2013 年6月11 日諾基亞獲得了關于采用石墨烯層打造攝像頭傳感器作用于照片傳感的專利。石墨烯對光線很敏感，所以用石墨烯做攝像頭將會把是普通

41、攝像頭高1000 倍。4.2、國內產(chǎn)業(yè)化進展國內首片15 英寸單層石墨烯在渝問世目前中科院重慶研究院已經(jīng)成功制備出國內首片15 英寸的單層石墨烯,這樣的大尺寸,達到了國內最高水平。研究員在銅箔襯底上生長出15 英寸的均勻單層石墨烯,并成功將其完整地轉移到柔性PET 襯底上和其他基底表面,并且通過進一步應用,還制備出了7 英寸的石墨烯觸摸屏。中國首個純石墨烯粉末產(chǎn)品發(fā)布貴州新碳高科有限責任公司于2013 年4 月宣布成功研制生產(chǎn)出柔性石墨烯散熱薄膜，能幫助現(xiàn)有筆記本電腦、智能手機、顯示屏等大大提高散熱性能。這一產(chǎn)品也被認為是中國首個純石墨烯粉末產(chǎn)品，為石墨烯應用實現(xiàn)規(guī)?；逃锰峁┛赡?。全球首條石

42、墨烯生產(chǎn)線項目在寧波投產(chǎn)寧波墨西科技有限公司是2012 年由上海南江（集團）有限公司、皙哲投資有限公司與中國科學院寧波材料技術與工程研究所共同發(fā)起，計劃建成全球第一條石墨烯生產(chǎn)線，第一期年產(chǎn)300 噸，第二期年產(chǎn)1000 噸。 中科院寧波材料所劉兆平研究團隊經(jīng)過三年多的努力，終于在石墨烯規(guī)?；苽浼夹g方面取得了突破性進展，發(fā)展了一種全新剝離技術路線，實現(xiàn)了石墨烯的低成本規(guī)?；苽?，將石墨烯的制造成本從每克5000 元降至每克3 元。該技術擁有完全的自主知識產(chǎn)權，突破了石墨烯的低成本規(guī)?；苽浼夹g并經(jīng)中試驗證。且生產(chǎn)出的石墨烯產(chǎn)品質量高、導電性優(yōu)異，成本低廉，具有很強的市場競爭力。5、石墨烯A

43、股投資標詳解國內多家上市公司早已關注到石墨烯材料獨特的優(yōu)異性能，看好其未來在各領域的廣闊應用前景，因此已著手進行前期的研究開發(fā)和相關的產(chǎn)業(yè)布局。金路集團（000510.SZ）2011年與中國社科院金屬所達成協(xié)議，出資1500 萬用于石墨烯及產(chǎn)業(yè)化的研發(fā)，主要方向是石墨烯基透明導電薄膜、三維網(wǎng)絡散熱材料和動力電池用電極材料三個方面。從2014 年起，公司與金屬所的該合作項目產(chǎn)生的研究成果和知識產(chǎn)權， 由德陽旌華資產(chǎn)投資經(jīng)營有限公司代表高新區(qū)管委會享有該合作成果總權益的10%；高新區(qū)管委會每年給予公司500 萬元資金支持石墨烯研究開發(fā)和應用，時間為5 年（從2014 年到2018 年）。（1）公司與中科院金屬研究所聯(lián)合開發(fā)電池級石墨烯技術已于2012 年11 月11 日對共同完成的“石墨烯材料的規(guī)?；苽浼夹g”通過了成果鑒定