导读：碳元素是构成整个自然界的基本元素，也是人们认识最早的一种元素，其独特的物理化学性质与不同的形态随着科技的不断进步和发展而逐渐被人们发现。

1985年零维结构富勒烯的发现和1991年二维结构碳纳米管的发现，使碳纳米材料在世界范围内引起了巨大的研究热潮。2004年，英国曼彻斯特大学的安德烈˙K˙海姆教授和科斯佳˙诺沃谢洛夫研究员通过“微机械力分离法”，即通过微机械力从石墨晶体表面剥离石墨烯，首次制备出了石墨烯片层，并因此获得了2010年的诺贝尔物理学奖。

石墨烯

石墨烯（Graphene）是碳原子紧密堆积成单层二维蜂窝状晶格结构的一种碳质新材料，其基本结构是由碳原子以sp2杂化键合形成的苯六元环。厚度只有0.335纳米,仅为头发的20万分之一，石墨烯的发现使碳材料家族更加充实完整，形成了包括：零维富勒烯，一维碳纳米管，二维石墨烯，三维金刚石和石墨的完整体系。

氧化石墨烯结构示意图

制备氧化石墨的常用方法主要包括Brodie方法，Staudenmaier方法以及Hummers方法。基本原理：先用强酸处理原始石墨，得到石墨层间化合物，然后用强氧化剂对其进行氧化处理。

原始石墨是疏水的，经过氧化以后石墨表面会形成大量的含氧基团如羧基、羟基、环氧基等，从而使氧化石墨具有了水溶性，再经过超声振荡处理后就可以分散成氧化石墨烯。

氧化石墨烯因为存在含氧基团等缺陷破坏了它本身的电子结构，因此需要经过化学还原或热还原将含氧基团去掉，修复石墨烯表面的电子结构从而使其具有更优异的性能。

氧化石墨烯的特性

(1)良好的亲水性和相容性：

理想的石墨烯片表面不含任何活性基团，而氧化石墨烯片层由于含氧活性基团的引入，使其具有了某些新的性质，如亲水性、良好的分散性以及相容性。

(2)很好的表面活性和润湿性：

氧化石墨烯表面的亲水性含氧活性基团，使氧化石墨烯具有很强的表面活性和润湿性，从而使氧化石墨烯能够在常用的极性溶剂如四氢呋喃等中，形成稳定的分散溶液。

(3)可作为补强填充材料：

极性基团同样使氧化石墨烯与某些极性聚合物的相容性增加，稳定分散的氧化石墨烯通过溶液法与聚合物材料混合可以制备出具备优良电学性能和力学性能的纳米复合材料，使氧化石墨烯成为优良的纳米复合材料补强填充料。

由于氧化石墨烯的良好性能，其对聚合物材料的力学性能、热性能等的补强效果相对于其它无机补强填料更优异，同时在聚合物基体中的添加量也比传统的补强填料要少。研究人员利用氧化石墨烯作为补强填料，制备了大量具有优异力学性能、热性能的纳米复合材料，对于聚合物复合材料的发展具有重要意义。

（4）其导电性较差：

含氧活性基团的引入破坏了氧化石墨烯片层内的π键，使其丧失了传导电子的能力，故其导电性较差，因此氧化石墨烯不适合制备要求具有导电能力的电子器件。

（5）具有不同的电子结构：

氧化石墨烯与石墨烯具有不同的电子结构，如果石墨烯完全被氧化则可成为绝缘体，经过还原后又可以从绝缘体变为导体。因此，可:以通过改变和控制氧化石墨烯不同的氧化程度实现对石墨烯电子结构的调控。

（6）GO薄膜是一种稳定的光电阴极材料

在光强为100mW/cm2的白光照射下,偏压为－0.4V时,0.1mol•L－1的Na2SO4溶液中薄膜电极的光电流密度达3.72μA/cm2.

（7）光响应性能

氧化石墨烯作为可见和近红外区域作为光电探测器具有很好的光响应性能优异、灵敏性度高、响应速率快和可重复性好等特点，还发现在强紫外光下氧化石墨烯的光响应稳定性较差。

石墨烯的应用

(7)触摸面板试制品不断面世

除了高速高灵敏度器件之外，透明导电膜也是最接近实用化的的应用例。设想作为目前普遍使用的ITO的替代材料，用于触摸面板、柔性液晶面板、太阳能电池及有机EL照明等。试制品也接二连三地面世。

透明导电膜这一用途备受期待的原因在于，石墨烯具备较高的载流子迁移率且厚度较薄。一般来说，高透明性与高导电性是互为相反的性质。从这一点来看，ITO正好处在透明性与导电性微妙的此消彼长（Trade-off）关系的边缘线上（如下图）。这也是超越ITO的替代材料迟迟没有出现的原因。

（a）为产综研以石墨烯为透明导电膜制作的触摸面板。（b）为使用CNT的例子

这个触摸屏的工作原理很容易理解，触摸屏由上下两层粘在PET薄膜上的石墨烯构成，没有接触的情况下，两层石墨烯被下层上放置的绝缘点阵阻隔而互不接触。当外界压力存在的时候，PET薄膜和石墨烯在压力下发生形变，这样上下两层石墨烯就发生接触，电路连通。接触的位置不同，器件边缘电极收集到的电信号也不一样，通过对电信号的分析，就可以确定是触摸屏上的哪个位置发生了接触。三星公司的成功，让人们看到，这种生成大尺寸石墨烯的方法完全适合于工业应用，而且相对于传统方法，成本低了很多。

(8)石墨烯纳米生物传感器

2010年3月，在中国科学院院长特别基金和国家自然基金项目的支持下,国家纳米科学中心石墨烯纳米生物传感器研究取得突破。国家纳米科学中心和美国哈佛大学合作首次成功制备了石墨烯与动物心肌细胞的人造突触,建立了一维、二维纳米材料与细胞相结合的独特研究体系,为生物电子学的研究带来了新的机遇。

基于石墨烯的复合纳米材料生物传感器

(9)高速光学调制器

美国华裔科学家使用纳米材料石墨烯最新研制出了一款调制器，科学家表示，这个只有头发丝四百分之一细的光学调制器具备的高速信号传输能力，有望将互联网速度提高一万倍，一秒钟内下载一部高清电影指日可待。这项研究的突破点就在于，用石墨烯这种世界上最薄却最坚硬的纳米材料，做成一个高速、对热不敏感，宽带、廉价和小尺寸的调制器，从而解决了业界长期未能解决的问题。

资料来源：《前瞻产业研究院石墨烯行业投资分析报告》

随着石墨烯制备水平的发展和石墨烯应用技术水平的发展，石墨烯材料能够应用在更多的下游产品和领域中，这些待开发的领域都是未来极具投资机会的处女地。

据预计，到2024年前后，石墨烯器件有望替代互补金属氧化物半导体(CMOS)器件，在纳米电子器件，光电化学电池、超轻型飞机材料等研究领域得到应用。

石墨烯制备水平和应用技术水平的发展是相辅相成的，以目前的发展水平看，电子元件领域的应用对石墨烯的质量和技术要求最高，也最难以实现，预计其应用在10年左右。石墨烯在消费电子类的应用主要需克服制备技术的难关，这也是目前石墨烯研究中最热点的方向，预计制备技术在未来1-2年内会有所突破。石墨烯复合材料和石墨烯能源类产品对石墨烯质量和应用技术均有一定要求，预计其在3-5年内会有所突破。

未来石墨烯行业投资机会分析