综述：大规模石墨烯材料：合成路线、市场与技术经济格局，以及净零应用

石墨烯因其优异的物理化学性质成为多领域重要材料，商业化进程呈现生产成本下降（2020年$200/kg降至2028年$70-80/kg）、市场规模扩大（2022年$380M至2027年$1.5B）及应用拓展三大趋势，在能源存储（电池/超级电容器）、碳捕获、水处理等可持续技术中展现显著潜力，但规模化生产与标准化仍存挑战。

Mohamed Hammad Elsayed|Fahd Saeed Alakbari|Lamiaa E. Abd El-Haleem|Hamid Zentou|Ahmed F. Saber|Bosirul Hoque|Mahmoud M. Abdelnaby

沙特阿拉伯达兰法赫德国王石油与矿业大学（King Fahd University of Petroleum & Minerals）氢能与碳管理跨学科研究中心（IRC-HTCM），邮编31261

摘要

石墨烯因其卓越的导电性、机械强度、热稳定性和近乎完全的光学透明度而成为一种具有重大技术和商业价值的材料。近期在合成和加工技术方面的进展使其实现了大规模工业生产，从而从实验室发现转变为具有商业可行性的材料。本文全面评估了石墨烯的商业化现状，重点关注可扩展的生产路线、市场发展、技术经济可行性以及以可持续性为导向的应用。本文系统地对石墨烯材料家族（包括石墨烯纳米片、氧化石墨烯（GO）、还原氧化石墨烯（rGO）和连续化学气相沉积（CVD）生长的薄膜）进行了分类，并从结构配置、物理化学行为和工业适用性方面进行了比较。技术经济分析显示，生产成本显著下降，从2020年的约200美元/公斤降至2028年的70-80美元/公斤，预计未来可能降至20美元/公斤。全球产量从2009年的约14吨增长到2025年的近23,000吨，预计到2030年市场价值将达到数十亿美元，这一增长主要得益于亚洲制造中心和全球的研发努力。在净零技术的框架下，石墨烯的高表面积、导电性和可调表面化学性质促进了储能和转换设备（如电池、超级电容器和燃料电池）的发展。此外，基于石墨烯的膜在水脱盐和气体分离方面表现出优异的选择性和能源效率。这些发展凸显了石墨烯技术成熟度的提升，同时也指出了在生产规模扩大、确保材料标准化以及实现广泛工业应用方面仍存在的挑战。

引言

石墨烯是一种由碳原子组成的单原子层材料，呈六边形晶格排列，于2004年首次被分离出来[1]。这一突破立即引起了全球的关注，因为石墨烯比钢更坚固且柔韧，导电和导热性能优于铜，有望彻底改变多个行业[2]、[3]、[4]、[5]。早期对石墨烯的设想非常乐观：研究人员和媒体纷纷预测超快石墨烯电子设备、充电速度提高五倍的电池，以及通过添加石墨烯显著增强的复合材料（如混凝土或沥青）[6]、[7]、[8]、[9]、[10]、[11]、[12]。盖姆（Geim）和诺沃肖洛夫（Novoselov）因他们的开创性工作获得了2010年诺贝尔物理学奖，石墨烯的发现被誉为材料科学“神奇材料”时代的开端[13]。尽管早期前景广阔，但将石墨烯从实验室研究转化为实际应用仍面临诸多挑战[14]、[15]、[16]。其中一个主要障碍是开发高质量石墨烯的大规模生产技术。为此，全球范围内投入了大量努力，以实现可用的石墨烯形式（如晶圆级薄膜和块状粉末）的大规模合成[17]、[18]。此后，许多研究团队探索了先进的可扩展生产方法，取得了显著进展，包括优化现有方法和开发新的合成技术[15]、[19]、[20]、[21]、[22]、[23]。这些方法可分为低温技术（如改性的剥离法、氧化石墨烯的还原等相关方法，均属于自上而下的方法）[24]、[25]、[26]，以及高温技术（如外延生长、CVD等，均属于自下而上的方法）[27]、[28]、[29]、[30]。随着生产的进步，石墨烯的全球化商业化进程也加快了。大约在2014年，当可靠的商业规模生产得到验证后，石墨烯制造从学术实验室转移到了工业设施[31]、[32]、[33]。专门的研究中心（例如英国的国家石墨烯研究所）和大规模项目（如欧盟于2013年启动的石墨烯旗舰计划）应运而生，以促进研究与产业之间的对接[34]、[35]。此后，北美、欧洲和亚洲的许多公司开始生产石墨烯材料（粉末、薄膜和分散液），并将其应用于产品中。由此，一个专门的全球石墨烯市场逐渐形成并迅速发展。到2022年，石墨烯材料市场的年收入估计约为3.8亿美元，预计到2027年将增长到超过15亿美元，年增长率超过30%[36]。这种快速的市场扩张得益于良性循环：生产能力的提升降低了成本，进而促进了石墨烯在高产量应用中的更广泛商业使用。预计推动石墨烯市场持续增长的关键行业包括电子、复合材料（先进材料）和能源技术，表明石墨烯正从一种小众添加剂转变为主流工业材料。当前石墨烯研究和商业化的重点之一是其在净零技术和可持续技术中的作用[37]。在发现二十年后，石墨烯在绿色应用中的整合已成为优先事项，这与全球实现碳中和的目标相一致[38]、[39]。凭借其独特的性能组合，石墨烯被用于提高各种系统的效率和可持续性。例如，在建筑领域，添加了石墨烯的混凝土添加剂（“Concretene”）显著增强了强度，同时减少了水泥用量——在保持相同性能的情况下降低了约30%的二氧化碳排放[40]。在能源领域，石墨烯增强型的电池和超级电容器电极提高了导电性和充放电速度，有助于改善可再生能源电网和电动汽车的能源存储[41]、[42]、[43]。基于石墨烯的复合材料使车辆和飞机更轻，提高了燃油效率并减少了排放。此外，石墨烯在氢气生成、碳捕获[44]、[45]和水净化[46]、[47]方面也有令人期待的发展，这些都支持了更加可持续的经济。简而言之，石墨烯的成熟不仅开辟了新的商业市场，还解决了环境问题：这种曾经仅限于实验室实验的材料现在已成为实现净零碳目标的技术中的关键组成部分。

在这篇综述中，我们全面而科学地评估了石墨烯的固有性质、分类、大规模生产技术、市场演变和技术应用。石墨烯卓越的机械强度、导电性、热稳定性和光学透明度使其成为一种具有变革性工业潜力的多功能材料。研究分类了其主要商业衍生物，包括石墨烯纳米片、氧化石墨烯（GO）、还原氧化石墨烯（rGO）、石墨烯薄膜以及新兴的闪速石墨烯产品。文章批判性地分析了主要的制造方法，包括液相和电化学剥离、CVD、电弧放电、闪速焦耳加热（FJH）和卷对卷CVD，强调了它们在大规模生产中的可扩展性、成本效益和质量控制挑战（见图1）。对全球石墨烯市场的详细分析追溯了从2004年单层石墨烯发现到其快速工业化的历程，概述了关键经济指标，如估值、复合年增长率（CAGR）以及电子、能源存储、复合材料和净零技术领域的需求。文章还指出了主要地区贡献者（中国、英国和美国），并强调了包括欧盟石墨烯旗舰计划在内的政府战略倡议在加速商业采用和政策整合方面的作用。与早期仅关注合成方法或应用案例研究的综述不同，本文明确将大规模生产路线与技术经济分析、专利和公司活动以及净零技术中的实际应用联系起来。此外，我们综合了最新的市场报告和工业产能公告，提供了基于商业化的最新视角，将实验室进展与新兴的工业实践联系起来。

部分摘录

商业化石墨烯材料的性质和类型

石墨烯迅速成为现代化学和物理学中的重要材料[48]。这主要归功于其出色的多种性质，包括优异的导电性、卓越的机械强度和高光学透明度。自首次分离以来，其在制备方法和应用方面取得了重大科学进展[1]。这些发展强烈表明，石墨烯具有显著潜力，可以改变多个工业领域。

大规模石墨烯制备方法

全球石墨烯及其衍生物市场根据生产过程分为四大类产品：石墨烯纳米片、石墨烯薄膜、闪速石墨烯和氧化石墨烯（GO）或还原氧化石墨烯（rGO）。本文讨论了这些材料的大规模制备方法，包括：液相剥离（LPE）、电化学剥离、CVD、闪速焦耳加热（FJH）和电弧放电。石墨烯的制造方法可以分为自上而下的方法和自下而上的方法。

全球石墨烯市场概述

全球石墨烯市场现在包括多种形式的产品——如氧化石墨烯（GO），每种产品都针对不同的最终用途进行定制，并在商业规模上生产[157]。到2022年，石墨烯材料市场的年收入估计约为3.8亿美元，预计到2027年将增长到超过15亿美元，年增长率超过30%[36]。这一增长主要由新兴市场中电子行业的快速增长推动。

大规模石墨烯合成的技术经济分析（TEA）

技术经济分析（TEA）通过结合工艺工程和财务建模，为评估大规模石墨烯生产方法的经济可行性提供了框架。在本节中，我们探讨了大规模石墨烯合成的TEA方法，确定了不同生产路线的关键成本驱动因素，并总结了文献中的成本估算。目的是了解当前和未来的石墨烯制造经济状况，突出其中的挑战和机遇。

净零应用

基于石墨烯的材料通过提高低碳能源技术的效率、耐用性和可扩展性，直接为实现净零目标做出贡献。在燃料电池中，石墨烯减少了贵金属的使用量，促进了非铂催化剂的开发，降低了基于氢的清洁能源系统的成本障碍。在电池和超级电容器中，石墨烯提高了能量密度、循环稳定性和快速充电能力，促进了大规模集成。

结论

石墨烯从二维实验室发现发展成为蓬勃发展的商业材料的过程令人瞩目，本文的研究结果展示了该领域取得的成就以及未来的发展方向。显然，石墨烯的非凡性质——其在原子级薄尺度上的高效导电和导热能力，以及其化学可调性——为其在各种创新应用中的广泛应用奠定了基础。

CRediT作者贡献声明

Mohamed Hammad Elsayed：撰写——综述与编辑、初稿撰写、监督、概念构思。Fahd Saeed Alakbari：初稿撰写。Lamiaa E. Abd El-Haleem：初稿撰写。Hamid Zentou：初稿撰写。Ahmed F. Saber：初稿撰写。Bosirul Hoque：初稿撰写。Mahmoud M. Abdelnaby：资源提供、概念构思。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。