官宣：Nature聚焦石墨烯商业化的“谣言”与“现实”

尽管针对二维（2D）材料和石墨烯的研究已有很长的历史，最早可追溯到1947年，但是直到2004年事件以及随后的2010年“诺贝尔物理学奖”的授予，才真正地揭开了人们对石墨烯材料应用的殷切期望。

早期对石墨烯材料特性描述基本可以归结为：最薄，最轻，最坚固，最导电和最导热等。这些特性引发人们对于建造“石墨烯太空电梯”的热论。维珍航空首席执行官理查德·布兰森爵士在2017年3月对《每日电讯报》说：“希望石墨烯可以铸就未来的飞机，飞机质量的大大减轻，将在未来十年改变燃料消耗版图。”近日，来自美国北卡罗来纳州新伯尔尼石墨烯委员会成员Terrance Barkan发表在NatureNanotechnology上的一篇评论剖析了石墨烯发展历程中的泡沫和现实。

石墨烯发展历史的机遇和挑战

在过去的15年中，石墨烯的大部分研究工作已经在大学实验室和政府投资计划下有序进行，最终目的是规模化商业应用。各行业甚至有推出精心制作的“发展路线图”试图预测和影响这款新材料的商业发展方向。与“市场拉动”相似，许多诸如此类的努力可被归结为“技术推动”。

石墨烯商业应用的障碍很多，包括材料本身的一些固有缺陷，例如带隙缺少，使其不太适合电子应用。众所周知，将石墨烯添加到另一种材料中时，要获得适当的分散性也很困难。其他障碍还包括缺少“标准等级”等。为了使潜在客户了解所购买的材料是否包含石墨烯，他们需要使用昂贵且复杂的测试手段（例如X射线光电子能谱，拉曼光谱，透射电子显微镜， Brunauer–Emmett–Teller方法等）对材料进行全面的表征。

尽管存在这些障碍，但石墨烯材料的商业化已发生了巨大的演变，从主要基于大学的实验室规模研究过渡到了主要在北美，欧洲和亚太地区以每年数吨的产量生产这种纳米材料的多家公司（图1）。

石墨烯和纳米技术的资深专家Joe Eldridge指出了石墨烯当前的商业进展：“我们真的开始看到在重要的工业应用中出现了可行的产品，而不是利益驱动下的噱头产品。”有明显迹象表明石墨烯市场正在成熟，主要公司的应用正在加速。例如，佛罗里达州的Garmor Inc.刚刚通过了两次制造审核，并于最近（2019年第三季度）与多个战略合作伙伴签署了多年期供应和制造协议。这些早期客户是耐腐蚀和耐磨涂层的市场领导者。至关重要的是，这些协议每个都是针对几吨量级的。

石墨烯曼彻斯特公司的首席执行官詹姆斯·贝克（James Baker）负责协调曼彻斯特大学的整体商业化工作，包括最近开设的石墨烯工程与创新中心。他说：“我们已经看到石墨烯如何显著增强材料性能，特别是在复合材料，塑料，储能，传感器和涂层领域。我们相信，石墨烯的商业化将在未来12至18个月内达到关键的转折点。”此类声明在该领域正变得越来越普遍，并证实了工业规模下迅速成熟的石墨烯材料商业市场。

石墨烯家族

当我们从商业和工业应用的角度讲石墨烯时，我们实际上是在谈论从单层或由单层碳延伸得到的多层石墨烯纳米片（GNP）的一系列材料。它包括氧化石墨烯（GO）和还原的氧化石墨烯（rGO）。它包括在基材上呈单层状的石墨烯材料，或呈糊状、溶液以及粉末形式的GNP’s/GO。所有这些不同形式的材料在当今的全球商业市场中均以“石墨烯”的名义提供。

根据材料的物理化学特性定义，包括碳层数（从1到10）或更大的尺寸，横向薄片或晶体尺寸（从亚微米到数十微米），杂质的数量和含量（痕量金属，灰分，硫，氧等）。这些因素都会影响石墨烯材料的应用场景。

从生产模式上，市场大致可以分为：“自下而上”式生产（通常使用化学气相沉积（CVD）工艺从含碳气体中生产石墨烯）和“自上而下”生产（通常使用石墨作为原料），然后应用化学，电化学或物理方法分离碳层。这些方法不仅有很大的不同，而且所生产的石墨烯材料适合非常不同的应用市场。CVD型材料（单碳层）更适合于电子和传感器应用，而“散装”或多层材料更适合于塑料，复合材料，橡胶，水泥，涂料等。这两类材料的价格也存在巨大差异，CVD材料的成本是块状石墨烯的许多倍，因此单层材料通常以平方厘米为单位定价，而大块材料以克，千克或磅为单位定价。

图1. 石墨烯商业化的里程碑

石墨烯的通用性

石墨烯不应仅仅被视为高性能的独立材料，还可以作为有效的纳米材料添加剂，能够显著增强其他材料的性能。迄今为止，已经在整个市售石墨烯材料的市场内确定了40多个主要垂直应用领域（图2）。最发达的应用领域之一是在塑料和复合材料中的添加，可以增强材料的整体强度、导电性，改善热传递。通过添加极少量的石墨烯材料（按重量计远低于1％），某些塑料和复合材料的强度可以提高30–40％或更多。

2019年3月，福特汽车公司宣布经过三年的研究和测试，将石墨烯增强的聚氨酯（PU）零件放入其两款销量最高的量产车（F150皮卡和Mustang乘用车）中。

最初的目标是改善发动机舱中的热量管理。通过添加少量美国XGSciences提供的石墨烯，增强型PU部件的传热性能提高了30％。出乎意料的是，这种新材料还使强度提高了20％，振动和噪音降低了17％，促使福特考虑在其他地方可以使用石墨烯增强材料来改善车辆的性能和舒适性。

此外，还有NTherma生产的碳纳米管（CNT）已被用于改善标准机油的润滑性（样品），开拓了石墨烯的另一个独特应用市场。另一重要里程碑是，总部位于英国的Briggs Automotive Company（BAC）公司最近推出了其Mono R单座超级跑车，这是世界上第一款将石墨烯增强碳纤维完全结合到每个车身面板中的量产汽车。这种方法增强了纤维的结构特性，从而使面板更坚固，更轻，并改善了机械和热性能。这项成果是Haydale Composite Solutions（提供增强型石墨烯材料）和PentaxiaComposites合作的结果。

增材制造和石墨烯

石墨烯已在许多应用中证明了其多功能性，这些应用还结合了相对较新的增材制造技术（通常称为3D打印）。与传统的机加工或模制零件相比，在某些情况下3D打印材料难以克服强度不足的问题。通过添加石墨烯，许多3D打印材料可以提高其强度特性。

在最近的报道中，全球基础设施服务公司Aecom正在开发英国首批由石墨烯增强聚合物制成的3D打印商业产品。该公司的CNCTArch旨在降低安装数字信号系统相关的运输网络成本。

图2. 按材料类型划分的石墨烯的应用

石墨烯测试和验证

整个北美，欧洲和欧洲，在澳大利亚，有近300家公司被石墨烯委员会认定和追踪为石墨烯生产商。此外，仅在中国注册的与“石墨烯”相关的公司就有6,000多家。在这种环境下，没有标准化的石墨烯或说参考标准作为约束。在材料等级和价格方面，市场也严重缺乏透明度。因此，潜在的石墨烯使用者很难找到合适的商业供应商。

因此，最近启动了“石墨烯生产商验证计划”，其中包括对石墨烯生产商设施进行严格检查，包括健康检查，安全和质量控制。此外，从生产流中抽取材料的随机样本，然后由世界一流的材料实验室（例如英国国家物理实验室）进行全面表征。该计划的目的是为石墨烯生产商提供急需的独立第三方评估。

随着石墨烯不断发展和成熟，成为真正的工业规模材料，石墨烯将重写数十个重要市场，从储能到医疗保健，从加强基础设施到突破传感障碍。石墨烯自身的可回收性，减少了能源需求和排放，使许多应用行业变得更加可持续。世界石墨烯委员会认为石墨烯作为工业材料的下一阶段突破将来自商业板块和石墨烯生产商，他们将共同致力于解决现实应用问题，使石墨烯研究人员和学者的认知界限不断被打破。可以说自从石墨烯闯入人类工业的大殿以来15年间，很难挑出另一种可能具有如此广泛的有益应用场景的材料。