石墨烯是一种以sp2杂化连接的二维碳纳米材料，是目前世界上已知最薄、最坚硬、导电性和导热性最好的材料，被称为“黑金”和“新材料之王”。自2004年被发现以来，对于它的研究和应用的探讨就从未停止。
1 石墨烯的制备
目前，石墨烯的制备主要包括“自上而下”法和“自下而上”法两种工艺。所谓的“自上而下”法，指的是以石墨为起点，从石墨中层层剥离，得到二维的微观石墨烯，是一个“由多到一”的过程；而“自下而上”法是指从含碳化合物开始，利用高能量破坏掉化合物的化学键，使其中一个个的碳原子从中脱离出来后规则地聚集，生长成为石墨烯，是一个“由零到一”的过程。前者主要包括液相剥离法、氧化还原法、机械剥离法，后者则主要包括化学气相沉积法、碳化硅晶体外延生长法等[1]。
1.1机械剥离法
机械剥离法就是通过机械力来克服石墨层间较弱的范德华力，达到层与层间的分离，从而获得石墨烯的制备方法。机械剥离法制备石墨烯主要有微机械剥离法和球磨法两种，其中，球磨法制备石墨烯是最常用的一种机械剥离方法[2]。
球磨剥离法制备石墨烯技术比较成熟、且制备成本较低、容易达到工业生产规模。但由于采用的设备、工艺参数等不同，所制备的石墨烯尺寸、厚度和性能等差异较大。
1.2液相分离法[2，3]
液相分离法是指将石墨直接放置于去离子水或者有机溶剂中，在高温、超声和气流等条件作用下，达到剥离石墨而制备石墨烯的一种方法。
在制备工艺参数中，有机溶剂的种类对制备石墨烯的质量有着重要影响，常用有机溶剂有N-甲基-2-吡咯烷酮、脱氧胆酸钠、碱性木质素等。
液相分离法制备石墨烯具有工艺流程较为简单、节约成本等优点，但如何降低产物的团聚，提高分散性，有待于进一步深入研究。
1.3化学气相沉积法
化学气相沉积法(CVD)制备石墨烯，是先将含碳的物质在一定条件下使其气化并发生化学反应，再将反应生成物沉积到基底表面生成石墨烯的制备方法。在CVD法制备石墨烯过程中，环境气氛、催化剂等对制备石墨烯性能有显著影响。
化学气相沉积过程[4]
CVD法可以制备具有优异物理性能的石墨烯，重复性高，可用于工业化生产，但CVD法制备石墨烯薄膜存在制备成本较高，沉积时间较长，且金属基底无法重复利用，在转移过程中石墨烯薄膜容易受损等不足之处[5]。
1.4石墨插层化合物剥落法
石墨插层化合物剥落法(GICs)制备石墨烯，是通过有机溶液进行化学反应，使得有机溶剂分子进入石墨层间，增加了石墨的层间距离，削弱了石墨层间的范德华力，从而制备出石墨烯的方法。插层剂种类及添加量对制备石墨烯的性能有着重要影响，常用的插层剂有Na2SO4、KOH、二元酯(DBE)和柠檬酸等[2]。
石墨插层化合物剥落法可以制备大量结构较好的石墨烯，但加入的插层物质会破坏石墨烯的sp2杂化结构，使得石墨烯的物理和化学性能受到一定影响。
1.5氧化还原法
氧化还原法制备石墨烯，指先将石墨氧化为GO，再将GO还原为rGO的方法。氧化还原法制备石墨烯分为热还原和化学还原两种方法，热还原是将GO进行热处理，脱去GO层间的功能基团，从而得到rGO；化学还原法是采用具备还原性的化学物质(如水合肼、维生素C等)与GO中的功能基团反应，使GO失去层间功能基团，从而得到rGO[2]。
氧化还原法制备石墨烯具有原料价格较低、制备流程简单、制备周期相对较短及产物质量较高、适合产业化等优点成为石墨烯常用的制备方法。
1.6超临界流体剥落法
超临界流体(Supercritical Fluid,SCF)剥落法是指在温度和压力高于临界点的流体，具有类似于气体的扩散和液体的溶解性质，由于这些特殊的性质，超临界流体可以在石墨的层间迅速扩散并将其剥离，从而得到石墨烯的制备方法[2]。
超临界流体剥落法制备石墨烯，具有结构缺陷较少、产率较高和电性能优越等特点，具备产业化制备高质量石墨烯的前景，但由于制备过程中需要在高压条件下进行，这给制备设备带来一定挑战。
1.7外延生长法
外延生长是一种合成技术，可以将石墨烯层沉积在晶体衬底上。这些不同类型的衬底可以是六方氮化硼、Ir、Ru、Cu、碳化硅（SiC）、Pt等。通过外延生长合成的石墨烯可以使用标准光刻法进行图案化，这被认为是一个重要的优点，而缺点是难以控制厚度，并且没有特定而清晰的生长模式[4]。
1.8电弧放电法
电弧放电法生产石墨烯是在缓冲气体存在下使用高纯度石墨作为电极进行放电，实现石墨烯的制备。已使用缓冲气体有氢气以及氦气。氢气作为缓冲气体可以防止封闭结构的形成，因为氢气的存在导致表面“悬键”的终止。混合到缓冲气体中的氦气已被证明是具有高结晶度的材料。电弧放电已被用作石墨烯的合成方法，因为其简单、廉价，并且最重要的是，可以以较少的缺陷大规模生产石墨烯[4]。
1.9模板法
模板法是指用模板剂为主体构型控制、影响和修饰材料的形貌、尺寸等，进而调控材料性质的一种方法。常用的模板剂主要有碳材料、二氧化硅、矿物模板、金属氧化物、金属盐等[6]。
模板、原料及反应条件对碳的微观结构和孔隙率的形成起着重要作用，通过控制过程温度、模板剂种类和比例等条件，可得到形貌、物理和电化学性能不同的石墨烯材料，优化调控制备参数是目前研究重点。
除了以上方法，石墨烯的制备还包括偏析生长法、切开碳纳米管法、电子束石墨化法等。
综合而言，近几年石墨烯的制备方法在逐渐完善和增加，随着对石墨烯研究的加深，更完善、更高效的制备方法将会出现。
各种方法具有不同的优缺点，需根据材料结构，性能要求，最终应用方向等多方面因素选择原料及制备路线。
未来，若要想大规模制备无缺陷的石墨烯，还需要进一步的深入研究，这也是一直制约石墨烯应用的重要问题。
2 石墨烯的应用
中国科学院院士、北京大学教授刘忠范介绍，石墨烯材料有3种不同的形态：粉体、薄膜、纤维。材料形态不同，用途也不一样。
石墨烯的应用涉及新能源、电子信息、大健康、节能环保、生物医药、化工、航天航空等国家高新技术材料产业，对国家的发展起着重要作用。
2.1石墨烯的主要应用领域
（1）在电化学领域的应用
石墨烯是一种层状网格结构的碳材料，导电性、化学稳定性和热稳定性等优良，可应用于超级电容器、锂离子电池、钠离子电池、铅酸蓄电池以及锂硫电池、金属-空气电池等。
未来，如何利用廉价原料，简单工艺实现高品质产品生产，针对不同的电化学储能器件，充分发挥石墨烯特有的结构优势是今后的研究热点。例如：在电容器领域提高电极材料表面积进而增加活性位点；在锂离子电池中调节石墨烯的厚度进而提高离子的传输；在钠离子电池中考虑钠离子半径进一步优化石墨烯材料厚度和表面积，改进结构的均一性和性质的稳定性，是未来石墨烯材料在电化学储能领域实现工业化应用的研究重点[6]。
（2）在光催化材料领域的应用
石墨烯具有优异的导电性能、电子传输性能、高的比表面积等性能，因此，可以将其掺杂到光催化剂(TiO2、ZnO等)中，提高光催化剂的吸附能力或电子和空穴的分离效率，从而提高光催化效率[7]。
（3）在耐腐蚀涂料领域的应用
石墨烯涂料不仅具有环氧富锌涂料的阴极保护性和玻璃鳞片涂料的屏蔽性，而且，还有着优良的附着性、防水性和韧性。因此，石墨烯涂料的防腐性优于现有的任何重防腐涂料，是一种性能优良、有着广阔的应用前景的涂料[3]。
（4）在生物医学领域的应用
由于GO表面含有大量的含氧官能团(-OH，-COOH等)，可以使其具有良好的亲水性，且二维的GO拥有较佳的生物相容性，因而在药物装载、基因传递等生物医学领域中有着潜在的应用前景[2，8]。
（5）在传感器领域的应用
由于石墨烯具有高的比表面积、高导电性和生物相容性等优异物理化学特性，有利于提高敏感分子的吸附能力，提高生化反应的速率，而这些优异的特性使其成为制备传感器的理想候选材料[2，9]。
（6）在集成电路领域的应用
石墨烯具有良好的导热和热稳定等性能，可将其引入到硅基电路中，达到提高快速散热的目的。
（7）在太阳能电池领域的应用
石墨烯作为一种独特的二维无隙半导体，具有高电荷载流子迁移率和高比表面积等性能，所制备的薄膜也具有高的光学透明性、导电性和柔韧性等。因此，石墨烯在太阳能电池中的电子传输层、空穴传输层、缓冲层、对电极等方面有着广泛的应用[2，9]。
（8）在纳米复合材料领域的应用
石墨烯由于其疏松多孔的结构、高导电率和高材料强度，所以可以和其他不同性质的材料结合，形成复合材料。凭借高强度、高弹性模量、高比表面积与稳定性等优良性能，可以有效改善或提高材料的机械性能。Ramanathan等使用PAN、PMMA等聚合物与经化学处理的石墨烯进行共混处理，从而获得了石墨烯/聚合物纳米复合材料，该材料在高温稳定性和力学性能等方面均有所提高[2]。
（9）在电磁微波吸收领域的应用
石墨烯不仅具有独特的物理化学结构和优异的力学性能、电磁学性能，同时还具有良好的微波吸收性能。此外，将其与磁性纳米粒子复合还可以制备出新型吸波材料，这种材料兼具磁损耗和电损耗，在电磁屏蔽和微波吸收领域具有潜在的应用前景。
（10）在其他方领域的应用
GO上的含氧官能团能与棉织物的活性位点发生吸附，将GO负载棉织物上可有效改善织物的抗菌性能、防紫外线性能。
石墨烯因为其优良的性能、较大的比表面积和超高的力学强度，被认为是一种理想的储氢材料。
2.2石墨烯的应用现状
从政策对石墨烯应用领域的支持情况分析，与石墨烯相关的国家政策主要关注储能器件、防腐涂料、传感器、触控器件、电子元器件、新型显示、锂电池负极，石墨烯发热器件、电热膜、基于石墨烯薄膜、石墨烯穿戴功能纤维等。未来应用场景聚焦在高端装备制造、新能源及新能源汽车、新一代显示器件、智能休闲健身等领域。
在现实市场产品上，石墨烯产业呈现出低端产品鱼龙混杂，中高端产品亟待加强的现状。理疗护具、智能穿戴、石墨烯基叉车、电缆、油墨、路灯、轮胎、橡胶、润滑剂、润滑油、口罩、采暖、保暖等石墨烯低端产品鱼龙混杂、产品质量参差不齐、产品高度同质化；石墨烯基电池、电容、导热膜、防腐涂料、手机、触摸屏、显示屏、医疗健康领域发展势头良好、企业之间合作频繁；而在其他诸如光电芯片、柔性器件、电子芯片的石墨烯高端领域技术合作则较少。这说明在政策引导下，各个企业正在对石墨烯技术和产品的各种形式进行探索，石墨烯中高端应用正在突破过程中[10]。
3 石墨烯产业发展建议
3.1推进石墨烯标准化建设
当前，我国发布的石墨烯相关标准为石墨烯材料的分析检测和计量表征奠定了良好基础，通过石墨烯相关标准的制定，能够深入促进石墨烯材料及产品质控水平的提升，推进石墨烯材料及产品市场化应用。但现阶段我国石墨烯的标准仍不完善，相关标准涉及到的范围较窄，亟需建立完善的石墨烯标准体系，明确产品分级标准及技术标准[11]。
3.2紧抓关键技术的牛鼻子，创新布局[10-12]
质量控制是石墨烯产业化面临的关键问题。为进一步推动石墨烯行业健康发展，建议从创新生态系统的整体加强石墨烯产业的创新政策布局：
通过政府部门引导，进一步构建“官-产-学-研-用”的创新生态体系，充分发挥企业、高校、科研院所各自在基础研究、人才、技术方面的优势，协同攻克石墨烯产业化制备、分散、应用等关键技术；
进一步建立和发挥孵化器/创新中心/新型研发机构在技术应用研发和技术转移转化优势，加快关键技术成果的转化；
建立产学研合作信息服务平台，提高创新网络的信息交流与合作密度，帮助企业切实解决技术需求和技术难题；
实施税收优惠，加大企业研发投资补贴，促进高质量石墨烯产品研发；
设立小企业创新研究计划（SBIR）和小企业技术交换计划（STTR），支持石墨烯中小微企业研发创新和商业推广；
鼓励国有企业、石墨烯产业下游龙头企业深度参与石墨烯产业，支持企业并购重组，培育一批掌握核心技术、具备国际竞争力的领军企业。
3.3为产业寻求“杀手级应用”[10-12]
欧美石墨烯材料市场的下游应用多为光电器件、传感器等高精密仪器。这些仪器对石墨烯材料的要求高，因此常采用“自下而上”法制备石墨烯材料。而我国市场上的石墨烯材料大部分采用“自上而下”法，通过氧化还原反应制备，虽然成本低、产量大，但由于质量尚有待提高，因此难以在集成电路等高精密度产品中应用。
政策在推动石墨烯产业发展的同时，也出现了过度炒作和巨大泡沫，市场上的石墨烯材料良莠不齐，鱼龙混杂。若石墨烯不找到独到的、无法替代的用途，只做“万金油”式的添加剂和“工业味精”，这个产业是不会走太远的。
结语
石墨烯产业潜力巨大，我国虽处在石墨烯研发全球第一梯队，但也存在一定问题。应理性地看待石墨烯行业，要有发展的紧迫感，在基础研究、应用技术和产业发展上做好充分的准备，在规模化商业应用的机会到来时迅速占领战略制高点。
参考文献：
[1]崔爽.石墨烯需在制备与应用领域持续突破[N].科技日报,2023-12-26(006).DOI:10.28502/n.cnki.nkjrb.2023.007365
[2]刘欣,张雅欣,陈滢,李家科,江和栋,郭平春,朱华,王艳香.石墨烯和氧化石墨烯制备技术与应用研究进展[J].陶瓷学报,2023,44(02):217-235.
[3]杨松涛,陈国旭,张军霞,戴诗培,许晶晶.石墨烯的制备及应用研究进展[J].信息记录材
