1 石墨烯及其應(yīng)用介紹
1.1 石墨烯
石墨烯是由一個(gè)碳原子與周?chē)?/span>3個(gè)近碳原子結(jié)合形成蜂窩狀結(jié)構(gòu)的碳原子單層。理想的單層石墨烯片是由一層密集的碳六元環(huán)構(gòu)成的，沒(méi)有任何結(jié)構(gòu)缺陷，厚度約為0.35nm，是目前為止最薄的二維納米碳材料。石墨烯是目前自然界最薄最強(qiáng)韌的材料，斷裂強(qiáng)度比最好的鋼材還要高200倍。同時(shí)它又有很好的彈性，拉伸幅度能達(dá)到自身尺寸的20%。
目前石墨烯可量產(chǎn)的制備方法主要為氧化還原法和化學(xué)氣相沉淀法（CVD）。其中氧化還原法的原材料為石墨，CVD法的原材料為甲烷、乙炔等含碳?xì)怏w。目前的趨勢(shì)是生產(chǎn)缺陷極小的高品質(zhì)石墨烯。因此，CVD法在大多數(shù)應(yīng)用中使用頻率更高。
1.2 石墨烯應(yīng)用領(lǐng)域
由于石墨烯具有優(yōu)異的復(fù)合性能，雖然目前其下游應(yīng)用還沒(méi)有實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，但是其潛在的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛。在這些潛在應(yīng)用領(lǐng)域中，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注復(fù)合材料、過(guò)濾器、儲(chǔ)能、晶體管、傳感器、柔性透明電極等。
醫(yī)學(xué)：組織工程、造影劑、生物醫(yī)學(xué)傳感器、藥物輸送、生物樣品的過(guò)濾、DNA測(cè)序等
電子：晶體管、電極、量子點(diǎn)、自旋電子學(xué)、光電子學(xué)、光探測(cè)器、熱管理、電子應(yīng)用、填充的導(dǎo)電聚合物
儲(chǔ)能：電池陽(yáng)極、超級(jí)電容器、儲(chǔ)氫電池
過(guò)濾：水蒸餾、分子過(guò)濾、乙醇蒸餾、生物燃料凈化
傳感器：壓力傳感器、納米電子機(jī)械系統(tǒng)、氣敏傳感器、分子結(jié)合傳感器、運(yùn)動(dòng)傳感器、紅外傳感器、隱形眼鏡、磁傳感器
其他領(lǐng)域：建筑材料、潤(rùn)滑、電波吸收、聲音傳感器、冷卻劑添加劑
石墨烯的特性組合使其應(yīng)用廣泛。但需要注意，這些應(yīng)用通常都需要石墨烯的導(dǎo)電性或機(jī)械性能。這就導(dǎo)致石墨烯在每個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域都存在競(jìng)爭(zhēng)材料，且與之相比，石墨烯的性能表現(xiàn)各異。
1.2.1 輕量化復(fù)合強(qiáng)化材料
交通領(lǐng)域，特別是航空、航天和汽車(chē)行業(yè)，大部分應(yīng)用都需要輕量化復(fù)合強(qiáng)化材料。以碳復(fù)合材料替代金屬實(shí)現(xiàn)汽車(chē)的輕量化，可以有效提高能源效率。政府大力推動(dòng)汽車(chē)能效提高也部分推動(dòng)了產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。而在輕量化材料的替代過(guò)程中，石墨烯將發(fā)揮重要作用。
石墨烯的性能遠(yuǎn)超這些應(yīng)用領(lǐng)域的需求。石墨烯是截至目前人類已知強(qiáng)度最高物質(zhì)，與單壁碳納米管相當(dāng)；韌性是碳纖維的20倍；具有極高的拉伸強(qiáng)度。而且，自下而上的合成可使石墨長(zhǎng)在銅或鎳的泡沫上。利用催化金屬進(jìn)行蝕刻，可以產(chǎn)生多孔的輕質(zhì)石墨烯泡沫。
石墨烯在輕量化復(fù)合強(qiáng)化材料領(lǐng)域應(yīng)用具有2方面優(yōu)點(diǎn)：一是多層石墨烯氧化物，可作為3D打印材料；二是可以在催化金屬泡沫上合成3D石墨烯或石墨烯氣凝膠，其密度僅為0.16g/cm3，是現(xiàn)有最輕的材料。
但與其他材料對(duì)比，石墨烯作為輕量化復(fù)合強(qiáng)化材料，也存在成本高的限制。纖維、納米線和碳納米管更容易制成性能高且成本更低的復(fù)合材料。石墨烯納米帶性能更為優(yōu)異，但目前難以制備且價(jià)格昂貴。
1.2.2 生物醫(yī)學(xué)傳感器
生物醫(yī)學(xué)傳感器是對(duì)生物物質(zhì)敏感并將其濃度轉(zhuǎn)換為電信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)的儀器，由固定化的生物敏感材料作識(shí)別元件，搭配適當(dāng)?shù)睦砘瘬Q能器及信號(hào)放大裝置，構(gòu)成的分析工具或系統(tǒng)。
與碳納米管相比，石墨烯同樣是一種理想的生物傳感材料，它擁有碳納米管的廉價(jià)、環(huán)境友好、生物兼容性以及活性基團(tuán)均勻分布等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)，由于含有大量的羧基、羥基等官能團(tuán)，石墨烯具有良好的溶解性能，這是碳納米管所不具備的。另一種方法是使用石墨烯和金屬薄膜傳感器。由于石墨烯可使生物分子緊密結(jié)合，從而增強(qiáng)傳感器的靈敏度。石墨烯結(jié)合得越緊密，傳感器的電磁屏蔽效應(yīng)越小。
與其他材料相比，石墨烯可與現(xiàn)有材料相媲美或優(yōu)于現(xiàn)有材料，但可能還不及其他無(wú)機(jī)二維材料。碳納米管、納米顆粒、納米線官能化的微機(jī)電系統(tǒng)和半導(dǎo)體二維材料，如二硫化鉬，也都具有直接功能性，敏感度在很大程度上取決于接受材料和介質(zhì)。
1.2.3 過(guò)濾器
很多行業(yè)都需要過(guò)濾，包括化學(xué)品分離、生物樣品提純、海水凈化等。由于石墨烯具有良好阻隔性、可調(diào)節(jié)納米孔和可控層間距等性能，因此其在過(guò)濾器領(lǐng)域應(yīng)用十分突出。
石墨烯進(jìn)行過(guò)濾有2種方法：一是利用石墨烯薄膜的孔隙過(guò)濾。由于水凈化等過(guò)濾時(shí)會(huì)帶來(lái)較高壓力，過(guò)濾介質(zhì)需具有較大的強(qiáng)度，而合成石墨烯通常缺陷較少，可視為絕佳過(guò)濾介質(zhì)。石墨烯生產(chǎn)工藝的創(chuàng)新也進(jìn)一步強(qiáng)化了這一優(yōu)勢(shì)。可調(diào)節(jié)孔隙利于過(guò)濾，這是因?yàn)橹挥行∮诳紫兜奈镔|(zhì)才可以過(guò)濾出去。通過(guò)控制氧化性介質(zhì)添加時(shí)間，可進(jìn)一步控制石墨烯孔隙的大小。二是將薄膜邊緣朝上，這樣物質(zhì)就可以穿過(guò)石墨烯之間的層間距。這種方法主要用于海水淡化，因?yàn)槭┑膶娱g距小于海水中的水合離子，可利用多層石墨烯氧化物來(lái)進(jìn)行過(guò)濾。
與其他材料相比，石墨烯存在不足：石墨烯與沸石的孔隙大小類似，而沸石已經(jīng)應(yīng)用于滲透蒸發(fā)脫鹽，并且最新的研究證明沸石也可通過(guò)反滲透進(jìn)行海水淡化。此外，沸石的孔隙率比石墨烯可控性更高。
1.2.4 DNA測(cè)序
石墨烯在DNA測(cè)序領(lǐng)域的應(yīng)用看起來(lái)很有前景，但這一市場(chǎng)尚不成熟，現(xiàn)在與其他競(jìng)爭(zhēng)材料對(duì)比還為時(shí)過(guò)早。石墨烯DNA測(cè)序的原理是將基于石墨烯的電子傳感器與納米孔結(jié)合使用。讓單個(gè)DNA分子穿過(guò)石墨烯電子傳感器，就像一串珠子穿過(guò)細(xì)小的鐵絲網(wǎng)，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、高通量的單分子測(cè)序。除此之外，還有許多其他類型的DNA測(cè)序方法，每種方法在成本、測(cè)序時(shí)間和準(zhǔn)確性方面都各有利弊。
相比其他幾種方法，石墨烯納米孔的缺點(diǎn)是吞吐量低，單層測(cè)序也不準(zhǔn)確，而使用多層石墨烯可以顯著提高精度。
使用石墨烯進(jìn)行DNA測(cè)序的優(yōu)點(diǎn)在于可以長(zhǎng)時(shí)間讀取，而不需要將長(zhǎng)鏈DNA分解成小片段。因此，這種方法具有成本低，且便攜性高。
目前DNA測(cè)序方法較多，很難確定哪一個(gè)將支配市場(chǎng)。初步調(diào)查結(jié)果表明，成本和準(zhǔn)確性將是最大的驅(qū)動(dòng)力。由于石墨烯傳感器具有成本效益優(yōu)勢(shì)，因此隨著DNA測(cè)序在醫(yī)療行業(yè)中的應(yīng)用展開(kāi)，石墨烯有望得到更廣泛的應(yīng)用。
1.2.5 透明電極
透明電極可廣泛應(yīng)用于顯示器、觸摸屏和太陽(yáng)能電池等領(lǐng)域，其市場(chǎng)規(guī)模超十億美元。但由于銦的稀缺性，其價(jià)格一直上漲，這一行業(yè)一直在尋求可替代銦錫氧化物的材料。此外，隨著人們對(duì)柔性電子技術(shù)關(guān)注程度的不斷提升，相對(duì)于剛性易碎的銦錫氧化物，新型透明電極更為追求柔性。而單層石墨烯的透明性和導(dǎo)電性，使其在這一領(lǐng)域的應(yīng)用相對(duì)廣泛。石墨烯的厚度和透明度相關(guān)。如果在90%透明度時(shí)柔性能夠達(dá)到15Ω/m2，這就基本可適用于所有應(yīng)用。單層石墨烯可實(shí)現(xiàn)這種薄層電阻，而大面積石墨烯，就沒(méi)有額外的結(jié)電阻。
由于競(jìng)爭(zhēng)技術(shù)的出現(xiàn)和銦產(chǎn)量的增加，石墨烯在透明電極的應(yīng)用有限。但石墨烯可用于柔性電子產(chǎn)品，它的表現(xiàn)優(yōu)于其他納米技術(shù)。隨著人們對(duì)銦錫氧化物替代品的需求日益增長(zhǎng)，一些替代品已經(jīng)被開(kāi)發(fā)和商業(yè)化。石墨烯和銦錫氧化物的主要競(jìng)爭(zhēng)材料是金屬納米線、碳納米管和金屬網(wǎng)。目前已研究改進(jìn)提高透明度和結(jié)電阻的技術(shù)。
在過(guò)去的10年里，其他材料已實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，石墨烯與其相比目前表現(xiàn)不佳。例如，C3 Nano Inc.公司能夠?qū)崿F(xiàn)30Ω/m2，90%的透明度，不足0.6%的模糊度；Rolith, Inc.公司的亞微米金屬網(wǎng)能夠達(dá)到5Ω/m2，96%的透明度，2%的模糊度；而我國(guó)無(wú)錫石墨烯企業(yè)能夠?qū)崿F(xiàn)150Ω/m2，84%的透明度，不足1%的模糊度。
石墨烯薄膜可能會(huì)減少由于均勻性造成的模糊。石墨烯納米帶性能優(yōu)于其他材料，其結(jié)電阻會(huì)降低。石墨烯和納米技術(shù)結(jié)合發(fā)展比較有前景，這是因?yàn)槭┛蛇M(jìn)一步提高結(jié)電阻和提高導(dǎo)熱系數(shù)。
1.2.6 儲(chǔ)能
儲(chǔ)能可廣泛應(yīng)用于包括便攜式電子、汽車(chē)和可再生能源的儲(chǔ)存等領(lǐng)域。由于環(huán)保的要求，可再生能源和新能源汽車(chē)的發(fā)展將推動(dòng)這一產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。用于長(zhǎng)期放電、快速放電電池和超級(jí)電容器需要具有大表面積的材料來(lái)積聚和存儲(chǔ)電荷。電池的電極也需要高導(dǎo)電性。人們已經(jīng)開(kāi)始研究石墨烯在電池和靜電雙層電容器中的應(yīng)用。而這些應(yīng)用中最好使用高品質(zhì)石墨烯，如三維石墨烯，即石墨烯泡沫和氣凝膠。高比表面積能夠允許更大的能量容量；微米級(jí)孔隙允許電解液快速通過(guò)材料。
石墨烯，特別是石墨烯泡沫，比現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)電池優(yōu)勢(shì)更為明顯。隨著人們對(duì)儲(chǔ)能應(yīng)用興趣的提升，石墨烯電極有望廣泛應(yīng)用于電池和超級(jí)電容器中。石墨烯在儲(chǔ)能領(lǐng)域應(yīng)用的競(jìng)爭(zhēng)者是活性炭和石墨。活性炭是一種性價(jià)比高、具有高比表面積和納米級(jí)孔隙的材料，這使它成為強(qiáng)有力的競(jìng)爭(zhēng)者。由于活性炭目前已用于高端電池，石墨烯電極的性能必須非常優(yōu)異，才能成為新的儲(chǔ)能標(biāo)準(zhǔn)。
與石墨烯相比，活性炭的主要缺點(diǎn)是孔隙之間的有限連通性，從而限制了電子輸運(yùn)。由于現(xiàn)有活性炭生產(chǎn)方法的限制，基本不可能實(shí)現(xiàn)孔隙互聯(lián)互通的可控性。最近的研究表明，通過(guò)將碳源轉(zhuǎn)化為相互關(guān)聯(lián)的碳源，活性炭的性能可顯著改善。而利用三維石墨烯改善了石墨烯電極的性能。表面積的增加大大提高了可以儲(chǔ)存的能量總量。
1.2.7 晶體管
晶體管是電子學(xué)的基礎(chǔ)，其研發(fā)趨勢(shì)是更小巧、更有效的晶體管。以石墨烯為開(kāi)關(guān)材料的晶體管在學(xué)術(shù)界得到了廣泛關(guān)注。晶體管控制著電子的流動(dòng)，電子擁有向上的或向下的自旋量子力學(xué)性能。石墨烯的高流動(dòng)性使其具有潛在的場(chǎng)效應(yīng)。此外，石墨烯能夠保持電子在微米層面的自旋能力。石墨烯是不理想的自旋電子主動(dòng)元件，它具有低自旋軌道耦合性。用石墨烯來(lái)操縱電子自旋是不可能的。摻雜石墨烯在自旋—軌道耦合方面有所改進(jìn)，也就是說(shuō)，以石墨烯作為自旋晶體管的開(kāi)關(guān)材料仍需進(jìn)一步創(chuàng)新。
由于過(guò)渡金屬硫化物等競(jìng)爭(zhēng)材料具有較高性能，石墨烯作為高性能晶體管和自旋電子學(xué)活性元素的應(yīng)用有限，但作為復(fù)合強(qiáng)化材料還是很有前途的。石墨烯本質(zhì)上不是半導(dǎo)體。競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手包括各種半導(dǎo)體，從砷化鎵等半導(dǎo)體，到二硫化鉬等2D半導(dǎo)體。
在這一應(yīng)用石墨烯的主要缺點(diǎn)是，它是一種零帶隙的金屬。在沒(méi)有帶隙的情況下，石墨烯的關(guān)斷電流相對(duì)較高。引入帶隙可以解決這個(gè)問(wèn)題，有2種方法可以實(shí)現(xiàn)：摻雜和量子尺寸效應(yīng)。摻雜的穩(wěn)定性和石墨烯納米帶的邊緣效應(yīng)都會(huì)產(chǎn)生影響。而過(guò)渡金屬硫化物等半導(dǎo)體二維材料，在作為活性元素的性能方面是優(yōu)于石墨烯的。而石墨烯在自旋電子學(xué)的距離內(nèi)保持電子自旋的能力是非常罕見(jiàn)的。鑒于這種稀有性，石墨烯很可能實(shí)現(xiàn)在這一領(lǐng)域的應(yīng)用。由于石墨烯不是自旋電子學(xué)理想的活性元素，因此需積極研究石墨烯與二硫化鉬等復(fù)合材料，從而生產(chǎn)自旋電子器件，控制電子自旋。
2 石墨烯產(chǎn)業(yè)化發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)
根據(jù)全球新材料研發(fā)的歷史可以看出，新材料實(shí)現(xiàn)商業(yè)化成功的途徑有2種，一是獲得實(shí)時(shí)利益，二是經(jīng)過(guò)多年研究尋找利基應(yīng)用，最終發(fā)展成為廣泛應(yīng)用。但一種新材料最終會(huì)被另一種新材料所取代。
石墨烯與這些新材料的不同在于，其應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)展快速，而這種快速的增長(zhǎng)也會(huì)導(dǎo)致更多企業(yè)進(jìn)入市場(chǎng)。石墨烯商業(yè)化過(guò)程將遠(yuǎn)快于其他新材料。石墨烯最初的商業(yè)產(chǎn)品是對(duì)現(xiàn)有產(chǎn)品的迭代改進(jìn)，如加強(qiáng)頭盔和增強(qiáng)現(xiàn)有產(chǎn)品的涂層。這種方法不需要在實(shí)驗(yàn)室中找到有利于市場(chǎng)的突破性特性。然而，石墨烯要實(shí)現(xiàn)在其他應(yīng)用領(lǐng)域的廣泛使用則需要其性能優(yōu)于其他競(jìng)爭(zhēng)材料。據(jù)預(yù)測(cè)，從長(zhǎng)期來(lái)看，一旦實(shí)驗(yàn)室級(jí)性能石墨烯實(shí)現(xiàn)規(guī)模化商業(yè)化生產(chǎn)，這些領(lǐng)域的應(yīng)用將會(huì)帶來(lái)更大規(guī)模的石墨烯生產(chǎn)和應(yīng)用。
也就是說(shuō)，可以實(shí)現(xiàn)潛在開(kāi)創(chuàng)性應(yīng)用的新型石墨烯目前正實(shí)現(xiàn)商業(yè)化生產(chǎn)。由于現(xiàn)有生產(chǎn)制備技術(shù)的創(chuàng)新，大規(guī)模商業(yè)化將在未來(lái)10年內(nèi)發(fā)生。
2.1 高品質(zhì)石墨烯成本過(guò)高
高品質(zhì)石墨烯，特別是應(yīng)用定制石墨烯，供給量低，價(jià)格昂貴，將限制石墨烯在短期內(nèi)的發(fā)展。此外，新型石墨烯的批量化生產(chǎn)還需進(jìn)一步創(chuàng)新，如三維石墨烯、納米纖維、石墨烯泡沫等。新型石墨烯可用于更多的應(yīng)用領(lǐng)域，它們的生產(chǎn)對(duì)于行業(yè)發(fā)展至關(guān)重要。
2.2 應(yīng)用市場(chǎng)過(guò)多缺乏聚焦
石墨烯的應(yīng)用領(lǐng)域過(guò)多，缺乏聚焦，導(dǎo)致石墨烯發(fā)展可能性多種多樣，這將限制石墨烯產(chǎn)業(yè)的增長(zhǎng)率。由于存在不同種類的石墨烯，而每種石墨烯的最理想應(yīng)用并沒(méi)有完全研究透，因此探索其所有的應(yīng)用領(lǐng)域變得至關(guān)重要。用于不同應(yīng)用的石墨烯研發(fā)方向多種多樣，目前的研究并未聚焦到最有發(fā)展前途的方向上。另外，對(duì)于復(fù)合材料性能優(yōu)異，發(fā)展前景良好。但由于石墨烯發(fā)展正處于初級(jí)階段，研發(fā)十分困難，這就導(dǎo)致了更長(zhǎng)的研發(fā)周期。
2.3 制備和處理工藝的限制
為實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，需要利用石墨烯的獨(dú)特性質(zhì)，但只有單層無(wú)瑕疵石墨烯才具有石墨烯的獨(dú)特特性。因此，實(shí)現(xiàn)高品質(zhì)石墨烯的生產(chǎn)非常具有挑戰(zhàn)性，特別是實(shí)現(xiàn)商業(yè)化生產(chǎn)。石墨烯各層之間相互吸引，這使得制備石墨烯非常困難，剝離的石墨烯通常都有幾層，而不是單層。與碳納米管類似，要完全剝離出高純度單層石墨烯，則需要超強(qiáng)酸。而利用CVD法制備石墨烯則更難避免多層。采用成核生長(zhǎng)法合成石墨烯，將產(chǎn)生多個(gè)晶粒，從而存在晶界缺陷。限制沉積到單層膜也是非常困難的。此外，將石墨烯從催化表面轉(zhuǎn)移到所需的襯底上會(huì)導(dǎo)致缺陷。因此，需要克服CVD合成石墨烯的這些挑戰(zhàn)急需技術(shù)創(chuàng)新。
2.4 來(lái)自其他新材料的競(jìng)爭(zhēng)
石墨烯之所以獨(dú)特是因?yàn)樗男阅堋５牵捎谀承?yīng)用只是使用部分性能，因此，每種應(yīng)用都有較強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)技術(shù)。對(duì)于每種應(yīng)用來(lái)說(shuō)，都有幾種極具競(jìng)爭(zhēng)力的替代技術(shù)。有些優(yōu)于石墨烯，或是與石墨烯相媲美。這限制了石墨烯在特定領(lǐng)域的應(yīng)用。
3 全球石墨烯市場(chǎng)發(fā)展現(xiàn)狀及預(yù)測(cè)
3.1 全球石墨烯市場(chǎng)發(fā)展現(xiàn)狀
3.1.1 石墨烯市場(chǎng)處于萌芽狀態(tài)
由于石墨烯在十多年前才研發(fā)出來(lái)，目前石墨烯市場(chǎng)還處于萌芽狀態(tài)，主要包括一些生產(chǎn)和供應(yīng)企業(yè)。據(jù)最近關(guān)于石墨烯的市場(chǎng)報(bào)告顯示，在過(guò)去幾年中，石墨烯產(chǎn)業(yè)呈現(xiàn)快速穩(wěn)定的增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，近期年均復(fù)合增長(zhǎng)率超過(guò)30%，高達(dá)60.7%。目前企業(yè)的收入主要來(lái)自于研發(fā)類生產(chǎn)企業(yè)，而所有經(jīng)營(yíng)最終產(chǎn)品的下游應(yīng)用初創(chuàng)企業(yè)幾乎沒(méi)有收入。雖然整個(gè)行業(yè)的銷(xiāo)售有所增長(zhǎng)，但個(gè)別石墨烯生產(chǎn)公司沒(méi)有像先前預(yù)測(cè)的那樣做得好。石墨烯生產(chǎn)技術(shù)的迅速發(fā)展導(dǎo)致了石墨烯生產(chǎn)商大量使用專有技術(shù)。一些石墨烯制造商卻慘遭淘汰。達(dá)勒姆石墨烯科技公司擁有一個(gè)專有的自下而上合成方法，盈利400萬(wàn)美元，但4年后倒閉。此外，通用石墨烯公司也盈利870萬(wàn)美元。grafentek公司已經(jīng)從生產(chǎn)石墨烯轉(zhuǎn)型為生產(chǎn)透明導(dǎo)電氧化物/金屬氫化物。
3.1.2 石墨烯生產(chǎn)企業(yè)股票表現(xiàn)欠佳
盡管市場(chǎng)總體增長(zhǎng)，但石墨烯和石墨生產(chǎn)商的股票一直在萎縮。這主要包括幾個(gè)原因：一是許多關(guān)于石墨烯炒作和大型供應(yīng)企業(yè)倒閉的新聞報(bào)道增加，人們對(duì)石墨烯發(fā)展的狂熱預(yù)期幻滅；二是缺乏商業(yè)產(chǎn)品。與其他納米技術(shù)公司一樣，由于炒作被擱置，企業(yè)尚未實(shí)現(xiàn)大范圍收購(gòu)，股票價(jià)格從最高估值急劇下降。而一旦石墨烯開(kāi)始產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，預(yù)計(jì)石墨烯市場(chǎng)將增長(zhǎng)。隨著新加入者不斷涌現(xiàn)，收購(gòu)可能成為當(dāng)前大企業(yè)保持市場(chǎng)地位的關(guān)鍵。
3.2 全球石墨烯細(xì)分應(yīng)用領(lǐng)域市場(chǎng)增長(zhǎng)預(yù)測(cè)
預(yù)計(jì)在未來(lái)10年，隨著石墨烯應(yīng)用實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，石墨烯行業(yè)將快速增長(zhǎng)。石墨烯的應(yīng)用推動(dòng)力將從大學(xué)實(shí)驗(yàn)室轉(zhuǎn)向大型企業(yè)。而復(fù)合材料、儲(chǔ)能、水凈化和音頻等應(yīng)用領(lǐng)域?qū)@得最大程度增長(zhǎng)。石墨烯產(chǎn)業(yè)最大的細(xì)分領(lǐng)域?qū)⑹翘娲祭w維在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用。2020年以后，隨著產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展，特別是海水淡化技術(shù)的興起，研發(fā)機(jī)構(gòu)對(duì)石墨烯的需求將穩(wěn)定增長(zhǎng)，并成為石墨烯產(chǎn)業(yè)應(yīng)用中規(guī)模較小的一部分。
3.2.1 輕量化復(fù)合強(qiáng)化材料領(lǐng)域
預(yù)計(jì)在未來(lái)幾年內(nèi)，復(fù)合強(qiáng)化輕量化材料領(lǐng)域?qū)⒁?/span>5%～10.6%的年均復(fù)合增長(zhǎng)率增長(zhǎng)，復(fù)合材料在航空航天領(lǐng)域應(yīng)用將實(shí)現(xiàn)30億美元產(chǎn)值，在汽車(chē)復(fù)合材料領(lǐng)域應(yīng)用將實(shí)現(xiàn)產(chǎn)值140億美元。這一領(lǐng)域產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重點(diǎn)搶占高端輕量化應(yīng)用市場(chǎng)份額，現(xiàn)有應(yīng)用市場(chǎng)主要以碳纖維為主，其在航空航天復(fù)合材料領(lǐng)域市場(chǎng)份額達(dá)到73%，在汽車(chē)復(fù)合材料領(lǐng)域市場(chǎng)份額達(dá)到3%。未來(lái)石墨烯市場(chǎng)份額的搶占很可能取決于石墨烯氣凝膠和交聯(lián)氧化石墨烯膜的生產(chǎn)。在這2個(gè)領(lǐng)域，石墨烯的技術(shù)優(yōu)勢(shì)遠(yuǎn)超其他競(jìng)爭(zhēng)技術(shù)。盡管復(fù)合材料產(chǎn)品已經(jīng)開(kāi)始應(yīng)用，但航空航天領(lǐng)域應(yīng)用的大幅增長(zhǎng)預(yù)計(jì)需要3～7年；而汽車(chē)領(lǐng)域應(yīng)用的大幅增長(zhǎng)則需要5～10年。因此，未來(lái)需準(zhǔn)確評(píng)估航空航天領(lǐng)域應(yīng)用所能帶來(lái)的收益；嚴(yán)格控制3D石墨烯生產(chǎn)加工，以確保材料的一致性和可靠性。隨著3D石墨烯或纖維復(fù)合材料不斷研發(fā)，石墨烯的市場(chǎng)份額將進(jìn)一步增加。
3.2.2 音響設(shè)備領(lǐng)域
音箱的小型化使得石墨烯在消費(fèi)電子產(chǎn)品領(lǐng)域的應(yīng)用增長(zhǎng)，預(yù)計(jì)年均復(fù)合增長(zhǎng)率達(dá)到17%。3D石墨烯可實(shí)現(xiàn)更薄、更小、更高效的音頻驅(qū)動(dòng)，因此3D石墨烯的可靠生產(chǎn)將進(jìn)一步提高其市場(chǎng)份額。在未來(lái)3～5年，隨著小型節(jié)能部件領(lǐng)域?qū)κ┬枨蟮脑鲩L(zhǎng)，預(yù)計(jì)石墨烯在這一領(lǐng)域的應(yīng)用將迅速增長(zhǎng)。
3.2.3 儲(chǔ)能領(lǐng)域
未來(lái)幾年，石墨烯在電池負(fù)極市場(chǎng)應(yīng)用將實(shí)現(xiàn)3億美元產(chǎn)值，年均復(fù)合增長(zhǎng)達(dá)到24%；在超級(jí)電容器市場(chǎng)應(yīng)用將實(shí)現(xiàn)1.4億美元，年均復(fù)合增長(zhǎng)率達(dá)到11%。石墨烯泡沫或其他微孔三維石墨烯將廣泛應(yīng)用，其性能將超越目前需要替代的能源存儲(chǔ)電極材料。未來(lái)為擴(kuò)大市場(chǎng)份額，需要改進(jìn)現(xiàn)有3D石墨烯的生產(chǎn)，降低成本。隨著電動(dòng)汽車(chē)的廣泛應(yīng)用，對(duì)大容量電池的需求快速增長(zhǎng)，以及包括再生制動(dòng)和太陽(yáng)能輸出功率等應(yīng)用需求的增長(zhǎng)，對(duì)超級(jí)電容器需求的提升，預(yù)計(jì)石墨烯在這一領(lǐng)域的應(yīng)用將在未來(lái)3～5年快速增長(zhǎng)。
3.2.4 水凈化領(lǐng)域
未來(lái)幾年，石墨烯在水凈化領(lǐng)域應(yīng)用的市場(chǎng)將達(dá)到120億美元，年均復(fù)合增長(zhǎng)率將達(dá)到13%。海水反滲透脫鹽需要低成本、高通量滲透膜，而海水凈化占這一領(lǐng)域市場(chǎng)的70%以上。只要全海水淡化系統(tǒng)的產(chǎn)量迅速上升，石墨烯就很有可能迅速占領(lǐng)市場(chǎng)份額。預(yù)計(jì)石墨烯將在未來(lái)3～5年內(nèi)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，這期間需要一個(gè)較長(zhǎng)的孵化期。隨著石墨烯實(shí)現(xiàn)規(guī)模生產(chǎn)，在2020后將實(shí)現(xiàn)快速增長(zhǎng)。
3.3 全球石墨烯市場(chǎng)空間預(yù)測(cè)
到2025年，石墨烯在多個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用有望實(shí)現(xiàn)快速增長(zhǎng)，2017-2025年平均增長(zhǎng)率達(dá)到72.8%（詳見(jiàn)圖1）。這預(yù)示著特定領(lǐng)域應(yīng)用的石墨烯生產(chǎn)將快速增長(zhǎng)，在最有前景的應(yīng)用領(lǐng)域使用的石墨烯、碳纖維或其他標(biāo)準(zhǔn)材料市場(chǎng)占有率將迅速增加。在后幾年中，石墨烯的市場(chǎng)應(yīng)用采納率預(yù)計(jì)會(huì)增加，因?yàn)楫a(chǎn)業(yè)發(fā)展中期推出的初始產(chǎn)品將大大超過(guò)競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手。而在3D石墨烯實(shí)現(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn)之前，任何意外的延誤都會(huì)延緩這種快速增長(zhǎng)。
圖1 2017-2025年全球石墨烯市場(chǎng)空間預(yù)測(cè)
4 石墨烯產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢(shì)展望
4.1 石墨烯生產(chǎn)趨勢(shì)展望
高質(zhì)量石墨烯規(guī)模化生產(chǎn)的困難導(dǎo)致其生產(chǎn)成本較高。目前的生產(chǎn)趨勢(shì)：一是努力克服高質(zhì)量石墨烯批量生產(chǎn)加工的局限性。現(xiàn)有客戶大部分都來(lái)自于學(xué)術(shù)或其他研究機(jī)構(gòu)，由于其消費(fèi)量較低，因此帶來(lái)了潛在的石墨烯供給過(guò)剩。尤其是一些本已盈利數(shù)百萬(wàn)美元的石墨烯生產(chǎn)企業(yè)紛紛倒閉，這一事實(shí)更是印證了人們對(duì)此的判斷。大部分石墨烯生產(chǎn)企業(yè)紛紛拓展業(yè)務(wù)，實(shí)現(xiàn)多元化生產(chǎn)，進(jìn)行新應(yīng)用產(chǎn)品生產(chǎn)，或投資應(yīng)用企業(yè)。二是現(xiàn)有利基石墨烯的生產(chǎn)，如交聯(lián)氧化石墨烯、3D石墨烯、納米薄片、納米帶、量子點(diǎn)。所有這些石墨烯都只在研究初期，未來(lái)可用于某些應(yīng)用，而基礎(chǔ)石墨烯正逐步產(chǎn)業(yè)化。
4.2 石墨烯應(yīng)用領(lǐng)域增長(zhǎng)點(diǎn)展望
由于現(xiàn)在已有大量企業(yè)涉足石墨烯生產(chǎn)領(lǐng)域，而且基于新的生產(chǎn)方法，未來(lái)還有更多的企業(yè)進(jìn)入，石墨烯的生產(chǎn)制備還未達(dá)到預(yù)期的快速增長(zhǎng)速度。未來(lái)還需要?dú)⑹诛导?jí)的應(yīng)用來(lái)實(shí)現(xiàn)快速增長(zhǎng)。
4.2.1 增長(zhǎng)點(diǎn)一：更輕更小的儲(chǔ)能設(shè)備
石墨烯在更輕更小儲(chǔ)能設(shè)備領(lǐng)域的應(yīng)用將帶動(dòng)石墨烯生產(chǎn)、設(shè)備集成等應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展。電池的創(chuàng)新已落后于其他先進(jìn)消費(fèi)電子領(lǐng)域的創(chuàng)新。未來(lái)將進(jìn)一步研發(fā)應(yīng)用具有高導(dǎo)電性和多孔電極的大容量電池和超級(jí)電容器；研發(fā)新型石墨烯，如3D石墨烯，能夠在保持高導(dǎo)電性的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)表面積最大化，目前研發(fā)機(jī)構(gòu)正在進(jìn)行3D石墨烯的潛在規(guī)模化商業(yè)化研發(fā)，需要進(jìn)一步轉(zhuǎn)化成商業(yè)化應(yīng)用；研發(fā)新型石墨烯在能源存儲(chǔ)設(shè)施的應(yīng)用；進(jìn)一步提高高純石墨烯的制備方法；在替代現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)方面，這些能源存儲(chǔ)設(shè)備的新性能將至關(guān)重要。
4.2.2 增長(zhǎng)點(diǎn)二：復(fù)合強(qiáng)化輕量化材料
石墨烯在超輕量化復(fù)合材料領(lǐng)域的應(yīng)用將帶動(dòng)石墨烯生產(chǎn)、設(shè)備集成、商業(yè)化銷(xiāo)售等應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展。石墨烯泡沫和石墨烯氣凝膠是最輕最強(qiáng)的材料，這些材料可在現(xiàn)有應(yīng)用領(lǐng)域替代其他諸如碳纖維等輕量化材料，其應(yīng)用范圍可覆蓋從航空材料的輕量化到消費(fèi)電子的高效播放器等領(lǐng)域。新型石墨烯將進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)規(guī)模化商業(yè)化發(fā)展。因此，需要石墨烯生產(chǎn)企業(yè)和應(yīng)用企業(yè)進(jìn)一步加強(qiáng)合作。隨著創(chuàng)新的加快和知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)的加強(qiáng)，在其他需要更強(qiáng)輕量化材料領(lǐng)域的應(yīng)用將進(jìn)一步展開(kāi)。