石墨烯被誉为21世纪的战略性新兴材料。从年被两位英国物理学家通过撕胶带的方式获得，其优越性能被大众认识，到年这两位科学家被授予诺贝尔物理学奖，再到年MIT青年科学家曹原及合作导师发现双层石墨烯魔角超导现象掀开新的研究篇章，石墨烯的突破性理论研究成果在短短十几年时间中如雨后春笋般出现。
石墨烯优异的材料性能一方面激发着学术界科研热情，另一方面也掀起了应用开发和产业化的浪潮。近几年，石墨烯产品逐渐出现在人们的生活视野中，从石墨烯面膜、口罩、内衣等日用品到石墨烯电池、散热膜等等，石墨烯正在从实验室走向市场落地。
然而石墨烯还是一个非常年轻的材料，在诸多方面还存在瓶颈和挑战。如何实现石墨烯的可控、宏量、高品质制备，如何开发石墨烯的功能和拓展应用领域，如何打造和保持石墨烯产品的市场竞争力，是当前石墨烯产业发展面临的底层问题。本文对中国石墨烯产业化现状、关键制备技术突破、商业应用等方面进行了简要梳理，以帮助读者获得该领域的基础认识。
一、石墨烯：二十一世纪战略性新兴材料
石墨烯（graphene）即碳原子按照蜂巢状结构排列组成的一种二维材料，最早科学家认为它只是一种理论上的材料而无法在自由状态下存在，直到年，英国曼彻斯特大学物理学家AndreGeim和KonstantinNovoselov用透明胶带剥离法成功从石墨中分离出石墨烯，并表征了石墨烯这种二维材料的优越性能。受益于他们工作的启发，学术界关于石墨烯的研究成果在随后的十几年时间中不断喷涌，这两位科学家也因其开创性研究于年被授予诺贝尔物理学奖。
碳材料家族也因为石墨烯的发现变得更加完整，这一家族目前包括零维的富勒烯、一维的碳纳米管、二维的石墨烯和三维的石墨和金刚石。石墨烯不仅是单层碳原子材料，还可以是组成其他维度碳材料的基本单元：将石墨烯包裹成球形就得到了零维富勒烯，将石墨烯卷起来可以获得一维的碳纳米管，将石墨烯堆垛起来可以获得三维石墨结构。
图1｜石墨烯与其他碳材料的关系（图片来源：刘开辉等，《石墨烯的结构与基本性质》，华东理工大学出版社，.10）
石墨烯是目前已知的最硬、最薄的材料，具有非常高的透光率，非常致密以至于除质子之外没有其他物质可以穿透，具有极高的电子迁移率、热导系数以及能承载极高的电流密度。它集诸多优异性能于一身，在电子信息、能源、功能材料、生物医药、航空航天、节能环保等领域有重要的潜在应用前景。因此，石墨烯不仅被认为是21世纪的战略性新兴材料，更被预期成为继石器、青铜、钢铁、硅之后人类即将开创新的文明纪元时代的标志性材料。
对于石墨烯的应用我们举两个简单的例子。石墨烯首先被寄予厚望的应用是柔性电子学领域。电子产品中广泛使用的透明导电涂层，对材料的要求是极低的面电阻和极高的透光率，这正是石墨烯的优势所在，石墨烯材料的面电阻可以低至～30Ω/□，透光率高达97.7%，同时还有非常好的力学弹性和化学稳定性，因此被认为是目前主流使用的铟锡氧化物（ITO）的潜在替代品。石墨烯在光子学器件上也可以大有作为，比如石墨烯光电探测器目前就是其中的一个研究热点。相比于传统的半导体光电探测器只能探测有限的波宽，石墨烯的探测波宽更宽，从紫外到红外都可以。此外，石墨烯可操作带宽也很高，使得它可以用于高速信息传输。
根据石墨烯的宏观形态，可以大致分为粉体和薄膜两类。石墨烯粉体是指纳米及微米尺寸的石墨烯片（graphenenanoflake）无序聚集体，主要通过液相剥离法、氧化还原法等方法制备。石墨烯薄膜是在特定基底表面生长的，或生长形成后被转移到其他基底上的连续石墨烯材料，微观上因为制备工艺的局限性可能局部不连续（称为缺陷），宏观上尺寸可达到厘米甚至米量级，主要通过化学气相沉积法、机械剥离法等方法制备。相比于石墨烯粉体，薄膜的优势是连续性和厚度均一性，也更能表征出石墨烯优越的物理化学性能。
图2｜石墨烯粉体（左，来自常州第六元素材料科技股份有限公司）和石墨烯薄膜（右，来自无锡格菲电子薄膜科技有限公司）工业制备（图片来源：Zhuetal.,Massproductionandindustrialapplicationsofgraphenematerials,NationalScienceReview,）
大批量、低成本的生产高质量的石墨烯材料是实现石墨烯应用产业化的前提条件。目前，石墨烯的制备可以大致被归纳为两类技术路径，一类是自上而下的方法，即从石墨本身获得石墨烯（又称为石墨路径），一类是自下而上的方法，从含碳化合物制备石墨烯（又称为碳原子路径）。我们来具体看一下不同制备方法之间的区别。
自上而下（top-down）：1）液相剥离法（liquid-phaseexfoliation，简称LPE），将石墨在有机溶剂或特定的表面活性中分散，利用超声波等手段将单层或多层石墨烯从石墨表面剥离，再通过离心分离获得石墨烯分散液，最后可以在不同的基体上沉积获得石墨烯。这种方法是低成本制备石墨烯粉体的主流方法之一，但问题是产品品质差，还有很大的工艺提升空间；2）氧化还原法（产品称为reducedgrapheneoxide，简称rGO），使用硫酸、硝酸、高锰酸钾、双氧水等强酸和强氧化剂将天然石墨氧化，得到氧化石墨，然后通过物理剥离和高温膨胀等方式将其分散得到氧化石墨烯，最后将其还原得到还原氧化石墨烯。这种方法也是国内石墨烯粉体制备主流方法之一，操作简单、产量高，但问题是产品缺陷高、环境污染严重，长期来看产业化前景并不明朗；3）机械剥离法（mechanicalexfoliation），即通过撕胶带的方式从石墨中提取单层石墨烯，这种方法制备的石墨烯具有极佳的电学、光学、热力学及机械性能，且该方法操作简单，很容易在实验室中实现，但缺点是这种方法对于石墨烯的尺寸、形状的控制能力较差，且无法规模化，不能用于工业化批量生产；
自下而上（bottom-up）：4）化学气相沉积法（chemicalvapourdeposition，简称CVD），以含碳气体（如甲烷）为原料，在摄氏度以上的环境中在铜等基底上通过化学反应析出碳并自动生长形成石墨烯薄膜，这种方法获得的石墨烯薄膜具有最好的结构可控性和品质，被认为是最有潜力的石墨烯规模化制备方法，后文中我们会详细介绍；5）SiC晶体外延生长法，将SiC基底在真空中加热至1,-1,摄氏度，使SiC表层硅原子蒸发，留下碳原子重组成石墨烯，这种方法对设备要求高，基底昂贵，且生成的石墨烯难以从基底上转移下来，因此工业化潜力也不高。
总结来说，石墨烯粉体和石墨烯薄膜的制备优劣势都很突出。氧化还原法、液相剥离法获得的石墨烯粉体质量较差、非碳杂质多、厚度不易控制、存在环境污染问题；化学气相沉积法制备的石墨烯薄膜层数和结构控制较容易，但剥离和转移还存在一定挑战，成本较高。下图简单概括了不同制备方法带来的石墨烯产品品质和成本的关系。
图3｜石墨烯在不同制备方法下产品品质与批量生产成本之间的关系（图片来源：Novoselovetal.,Aroadmapforgraphene,Nature,）
二、石墨烯产业化现状：上游规模化制备关键技术亟待突破、中游产品质量参差不齐、下游缺乏杀手锏级应用驱动力
理想的石墨烯是完美的二维蜂窝状单晶纯碳材料，而现实中的石墨烯是由单晶碎片堆积起来的含缺陷多晶薄膜或粉体，现实与理想的差异巨大。根据国际标准化组织ISO定义，石墨烯可以是单层、双层、多层（3-10层）、或者纳米片结构（厚度1-3纳米，直径纳米到微米）。年，来自新加坡国立大学的AlanKauling、AntonioCastroNeto以及诺奖得主KonstantinNovoselov及其他合作者在AdvancedMaterials期刊上发表研究论文，他们测试分析了来自美洲、欧洲和亚洲的60个石墨烯制造商的产品品质，结果表明当下石墨烯产品质量远不及预期，大多数公司生产的只是颗粒度极小的石墨薄片（graphitemicroplatelets）而非石墨烯，石墨烯的大部分应用潜力在这些产品上不能体现。具体量化来看，大部分公司的产品中符合ISO定义的石墨烯含量10%，而没有一家含量50%，纯度很差。即使在产品中石墨烯含量超40%的公司里，极少有石墨烯的颗粒直径超过5微米。理想的石墨烯碳含量为%，而现实却是其中掺杂了很多来自制备工艺的杂质。
总结来看，在全世界范围内生产高品质的石墨烯粉体是极其困难的，市面上目前基本找不到符合ISO标准的高品质石墨烯，这严重限制了石墨烯应用研究的进展。将不符合质量标准的产品称之为石墨烯也影响了石墨烯产业的发展前景，Nature期刊在评论文章中称这类产品为“fakegraphene（假石墨烯）”
图4｜现有石墨烯粉体产品质量远不及预期（图片来源：Kaulingetal.,Theworldwidegrapheneflakeproduction,AdvancedMaterials,）
石墨烯的产业化正在快速发展，然而亟需关键技术突破以及产业政策正确引导。一方面，市场上现存石墨烯产品质量不理想，高品质的石墨烯制备难度高、工艺亟待突破，另一方面，全国多个省市出现了石墨烯产业发展浪潮，石墨烯的产能在快速增长，甚至出现了产业发展过热的情况，亟需顶层政策正确引导。
根据中国科学院院士、北京大学教授、北京石墨烯研究院院长刘忠范院士在“战略前沿新材料——石墨烯出版工程”丛书前言中的介绍以及相关采访，我们了解到三组数据：1）中国无论在石墨烯科学研究还是在产业化方面都已经走在世界的前列，截至年3月，中国大陆发表的石墨烯论文数量达到10.2万篇，全球占比超三成；截至年底，全球石墨烯相关专利申请总数6.9万件，其中来自中国大陆的专利数量高达4.7万件，占比接近七成；2）年中国石墨烯粉体和石墨烯CVD薄膜的年产能已经分别达到约5,吨和万平方米，比其他国家加起来还要多，实际上已经出现产能过剩问题；3）截止年3月，中国石墨烯企业总数量已经达到1.2万家，全国各地建立了29个石墨烯产业园、54个石墨烯研究院、8个石墨烯创新中心，重复建设现象严重，且未能和当地产业充分结合，存在资源浪费。
在石墨烯制备工艺还有待提升、以及下游高价值应用领域研究不充足的情况下，过高的产能一定程度上造成了资源上的浪费，给石墨烯产业的发展带来挑战。赛迪智库在年、年《中国石墨烯产业发展形势展望》中指出，国内石墨烯产业发展需