石墨烯的结构非常稳定，稳定的结构赋予了石墨烯“材料之王”的称号。石墨烯被认为是一种未来革命性的材料，未来中国石墨烯行业市场规模将稳步上升。

石墨烯是一种由碳原子构成的单原子层片状结构的新材料，有极好的透光性和导热性，是已知的最薄、最坚硬、电阻率最小的材料，常见应用有显示器、接触屏、传感器、电池、发光板等。中国在石墨烯的产业化发展中处于世界领先地位，石墨烯产业已被列为我国战略新兴产业和“中国制造2025”重点发展领域之一。我国石墨烯产业市场规模由2017年70亿元增至2020年230亿元，年均复合增长率为48.6%，预计2022年市场规模将达312亿元。

1、神奇的石墨烯

铅笔的主要成分就是石墨，之所以被称为铅笔是因为石墨又被称为黑铅，那么石墨烯与石墨有什么区别呢？答案是没有区别，他们都是主要由碳原子组成的物质，碳元素也是地球上组成各种物质最常见的元素，这么说来石墨烯并没有什么神奇之处，那么它的强度能够是钢铁的200倍，重量却能比纸还轻薄，是纸的1000分之一，这样神奇的特性又是怎么做到的的？

其实石墨烯的神奇力量并不来源于元素本身，之所以会有这样的超能力是其结构决定的。人类在研究石墨的时候发现，其组成是以一层一层的单层原子结构堆叠而成的。所以石墨本身的结构并不牢固，日常在使用铅笔时，用力过猛就会断铅就是这个原因。

不过如果单看其中一层原子结构，就会发现其又非常稳固，每一层的碳原子都呈现蜂窝状的六边形排布方式，每一个碳原子都与周边三个碳原子链接在一起，所以形成了非常稳固的结构，不仅强度高而且可延展性非常好。

这些组成石墨的单层碳原子结构就是石墨烯，可是从石墨中分离出石墨烯却并不是一件容易的事情。每一层的石墨烯之间都是由一种电性的吸引力结合在一起，层与层之间的距离在340皮米，1皮米相当于10亿分之一毫米，1毫米厚度的石墨中就有300多万层的石墨烯，想要分离出来非常困难。

但是最早分离出石墨烯的科学家，用了一个看似简单却又非常巧妙的方法，用胶带粘出的单层石墨烯，还因此获得了诺贝尔奖。

神奇的石墨烯竟然是用胶带粘出来的，那制备石墨烯还有哪些方法，它究竟还有哪些神奇的特性呢？

2、石墨烯的制备

由于石墨烯的高强度且质量轻，以及高延展性的特征，使科学家对其产生了很高的兴趣，毕竟人类从石器时代开始就不断寻求新的材料，从青铜到铁器再到钛合金等材料，每一次的材料升级也伴随着人类文明的进步，不过材料的获取方式也更加的困难。

而石墨烯的最早获取方式，是在2004由两位英国科学家通过一种特殊的胶带粘连出来的，他们将一块石墨片两面都粘有这种胶带，然后一分为二，之后不断重复以上操作。直至获得最薄的一层石墨原子结构，也就是石墨烯。他们也因此获得了2010年的诺贝尔物理学奖，但是这样的方法只适合实验室研究，于是后来又出现了机械剥离法和氧化还原法以及气相沉积法等多种方法，一时间石墨烯成为了红极一时的新材料。

在了解了石墨的结构和制备方法之后，就非常好理解石墨烯比纸还轻1000倍的原因了，因为它就是一层单原子结构，纸张再薄也不可能比原子还薄。而石墨烯的硬度比钢铁强200倍也是指在单位重量一样的情况下，就目前来看对石墨烯在强度方面的应用很少。

石墨烯被主要利用的特性为导电性，透光性和延展性。导电性非常好理解，石墨本身就具有导电性，也被广泛地运用在电池和电极当中，而石墨烯的导电性更好，这和其碳原子与电子的键合方式有关，每个碳原子外围有4个电子，其中3个与其他碳原子共享，另外1个则可以自由移动，所以在导电时可以更快。石墨烯也是目前常温条件下导电速度最快的材料，超导材料虽然导电性能更好，但是需要在超低温的条件下，在应用上没有石墨烯方便可行。

别看石墨是黑乎乎的一块，制成的石墨烯粉末也大多呈现黑色，但石墨烯的透光性却能达到98%，加上石墨烯的高延展性，在原材料基础上再拉伸25%的程度，以及弯曲都不会损坏石墨烯的结构。

3、石墨烯的应用领域

石墨烯最大的优势则在于建筑领域，一家位于澳大利亚的公司则把目光投向了水泥和混凝土行业，要知道水泥的碳排放量约占全球二氧化碳排放总量的8%-10%，这也是第26届联合国气候变化大会要求水泥行业采取脱碳行动的主要原因。并要求到2030年，水泥行业的碳排放量要减少25%，那么在这其中石墨烯起到了什么作用呢？水泥的生产离不开旋转的水泥罐，生料被燃烧并煅烧成一种被称为熟料的物质，它们被用作水泥的粘合剂，在这个过程中需要消耗大量电力，理论上说每制造1吨熟料，就会产生800KG-900KG二氧化碳。

因此，石墨烯最先要解决的就是提高水泥的研磨效率，这主要是基于电化学剥离产生石墨烯在通电时，它们会被嵌入到碳层中，在那里产生气体使得单个石墨烯片膨胀并剥落，从而免去了使用胶带的局限，这个方法可以生成5-20微米大小的石墨烯薄片，只需要混凝土总量的0.01%，就可以有效提高抗拉和抗压强度，降低了重量和开裂的可能，它不仅能提高34%的抗压强度27%的抗拉强度，还可以有效延长使用寿命，并减少20%的熟料使用。这套方案，能有效减少18%-20%的二氧化碳排放，在汽车制造航天航空等领域，这套方案同样适用。

在电池领域，石墨烯同样大有作为，通过在硅阳极部件中加入石墨烯，可以让它的能量密度相比于普通石墨阳极高出10倍达到400mAh/g，硅阳极主要有3个问题，第一容易降解，第二低固有电导率，第三充电速度较慢。但在加入了石墨烯后，这些问题都可以被缓解。除此之外，石墨烯还可以用于能源储存，以减少锂电池中枝晶问题的出现，从而有效降低火灾风险，结合新的正极材料的运用，例如NMC811来打开电池能量密度的大门，新技术电池的能量密度有望达到350WH/KG，而造价可能会低于$100/KWH。

那么，有没有更有效的石墨烯提取方案呢？研究人员发现可以用一氧化碳作为碳源，来生产高质量的石墨烯，这种方法不仅成本低而且还有着很高的效率。在全球范围内，石墨烯有着很广泛的前景。2021年，石墨烯的市场份额为3.88亿美元，预计到2028年这一数值将高达40亿美元，增长率为39.8%。影响石墨烯全面推广的最大阻碍依旧是成本，尽管它的价格已经从2010年的$10000/g下降到2022年的$100/g，但它仍旧是一种昂贵的材料。

那么，你认为石墨烯会改变能源储存和建筑行业吗？它真的会得到普及吗？

文章来源： ​Lock空间站，黑匣子科普，中商产业研究院