石墨烯已成为21世纪最具前景的材料之一，其应用覆盖日常消费品至前沿技术领域。凭借优异的力学强度、导电性及热学性能，该材料已成为电子、储能、生物医学器件及结构复合材料等领域的核心赋能材料。尽管潜力显著，但全球范围内缺乏统一的制备、表征与质量保障标准与方法体系，严重制约了其规模化生产与集成应用。本工作中，研究人员提出了石墨烯制造及其更广泛应用的综合路线图，强调可持续性与循环经济原则。通过剖析当前瓶颈并指明创新机遇，该路线图旨在惠及学术界、产业界与政策制定者等利益相关方。此外，研究明确了尚未得到充分探索、值得深入探究的研究方向，为未来的科学与技术发展提供了战略指引。
1 引言
石墨烯是由Andre Geim与Kostya Novoselov于2004年在曼彻斯特大学首次发现的真正意义上的单层材料，这一发现成为材料科学的转折点。二人因开创性工作荣获2010年诺贝尔物理学奖，并引发了全球范围内对石墨烯非凡性能的研究热潮。过去二十年间，得益于无与伦比的力学强度、导电性、热学性能及比表面积，石墨烯在电子、储能、生物医学工程及结构材料等诸多领域展现出变革性潜力。合成、加工与集成技术的不断进步持续提升着石墨烯基产品的质量与可扩展性，使得更高效、轻质且高性能的解决方案成为可能。
作为由sp2杂化碳原子以六方晶格排列构成的二维材料，石墨烯是现代材料科学研究中最受关注的体系之一。其蜂巢状结构中相邻碳原子间存在强共价键，赋予材料卓越的力学与物理性能。石墨烯被公认为已知最强、最薄且刚度最高的材料，同时具备优异的热导率与电导率，使其成为纳米电子学、电池、储能及复合材料增强体等领域极具吸引力的候选材料。
石墨烯非凡的物理、力学与化学性能，加之近年来规模化制备技术的进展，使其应用场景远超碳纳米管（一维）与富勒烯（零维）等其他纳米结构碳同素异形体。得益于独特的结构，石墨烯表现出优异的电子迁移率（较硅快100倍）及两倍于金刚石的热传导能力。其电导率超过铜的十倍以上。石墨烯的比表面积高达2600 m2/g，为多种应用带来了广阔机遇。此外，石墨烯是全球最强材料之一，弹性模量达1 TPa，抗拉强度达1100 GPa。
要理解石墨烯在电子领域的颠覆性潜力，必须考察其基本电荷传输特性及其与传统材料（如铜）的差异。铜虽具有高电导率，但其电荷载流子迁移率仅为约4.5 cm2/V·s，远低于石墨烯约15000 cm2/V·s的惊人迁移率，使其在整体电子性能上远逊于后者。这一显著差异转化为高效率、小尺寸轻量化及环境效益等显著优势。
然而，本征石墨烯的零带隙限制了其在光电子与微电子领域的应用。零带隙与极低本征载流子密度共同赋予石墨烯在特定栅压下的金属特性。尽管极高的载流子迁移率对高性能电子器件极具吸引力，但两个关键挑战限制了本征石墨烯在场效应晶体管中的应用：缺乏本征带隙及其与衬底的复杂相互作用。解决这些问题的核心策略之一是构建范德华异质结，即通过堆叠不同二维材料，并利用组分选择、堆叠顺序与相对取向来调控性能。
自2004年石墨烯电子性能得到实验验证以来，研究主要集中在开发新型制备技术、拓展应用场景及应对各领域应用挑战。数据显示，自2005年起，石墨烯及相关材料的发表成果数量持续增长，尤其在2010年后出现显著激增，2020年与2021年的相关出版物数量均达到约25000篇，涵盖电子与传感器、储能器件、生物医学应用、环境解决方案、建筑涂层及聚合物、金属、陶瓷与天然纤维复合体系等关键应用与技术集成领域。
2 石墨烯家族的定义
石墨烯及其衍生物统称为石墨烯家族，涵盖一系列具有独特性能与应用场景的材料。石墨烯本身是由碳原子以蜂巢状排列构成的二维单层结构，区别于富勒烯（零维）与碳纳米管（一维）等其他碳同素异形体。石墨烯家族包括超薄石墨、少层石墨烯（FLG）、氧化石墨烯（GO，从单层至多层的各类氧化产物）、还原氧化石墨烯（rGO）及石墨烯纳米片（GNS）。此外，石墨烯量子点、石墨烯纳米带（GNRs）与石墨烯纳米网等结构也被视为石墨烯衍生物。这些石墨烯基材料在层数、横向尺寸及表面物理化学性质（如官能团含量、缺陷密度与表面能）等关键方面存在差异，因而表现出不同的电学、热学、力学与化学行为，可被定制化应用于复合材料、电子、储能、传感等领域。
区分这些石墨烯基结构的关键因素之一是其比表面积。石墨通常比表面积较低，而将其加工为单层或多层石墨烯会显著提升比表面积（通过BET法测定），具体数值取决于目标工艺与应用。还原氧化石墨烯（rGO）的化学与热处理可制备出极高比表面积的多孔石墨烯，适用于超级电容器与能源领域应用。除氧化石墨烯（GO）、rGO与石墨烯外，还存在一类被称为功能化石墨烯的广泛衍生物体系。
石墨烯的功能化对于其与其它材料的界面结合至关重要，不仅能提升复合材料应用中的热学与电学性能及与基体相容性，还能调控电子性能。在电子应用中，石墨烯的电学性能对化学功能化与分子相互作用表现出极高敏感性，这种调控影响电荷密度与散射、电子-空穴波动的尺寸/密度、晶格畸变与电荷转移、杂化变化引起的掺杂、偶极-偶极相互作用及轨道杂化等多个方面。在石墨烯基复合材料中，这些官能团改善了其在基体中的分散性，增强了界面结合，并实现了性能的定制化（如增强导电性、力学增强或改善热输运），使功能化石墨烯成为一种多功能且高效的填料。
石墨烯位点的功能化可通过（1）共价键合、（2）π-π相互作用、（3）物理吸附或（4）晶格取代实现。针对复合材料应用的功能化能够增加石墨烯或其衍生物的粗糙度与界面结合能力，从而更好地与聚合物等基体相互作用。
3 全球石墨烯市场与产品洞察
2020年全球石墨烯市场价值约为6.2亿美元，预计2025年将达到14.8亿美元。石墨烯及相关材料（GRMs）的商业化成败取决于多个关键因素，包括制备路线、定价策略、质量控制与标准化协议、多元化高影响力应用的开发以及量产技术的优化。实现成本可控、可扩展且稳定的石墨烯生产仍是首要挑战。尽管存在多种制备方法，但目前仍缺乏单一、普适且能在电子、电池、储能及复合材料等不同应用中持续提供高质量石墨烯的技术，这种差异阻碍了GRMs在这些领域的有效集成。除生产问题外，另一个亟需关注的关键问题是石墨烯对人类健康与环境的潜在影响。了解石墨烯的长期行为与潜在毒性对于负责任且可持续的发展至关重要，针对生物相容性与环境归趋评估的研究工作对于指导GRMs的合理部署必不可少。
随着制备方法的改进与规模化，石墨烯供应价格有望进一步降低。通过提升先进性能与降低成本为客户创造附加价值，完全可以通过需求侧开发与高性能产品的大规模重新设计来实现，从而突破石墨烯广泛应用的市场壁垒，推动最终产品在各类日常应用中的成本效益利用。相关工业化探索路线图展示了专家对于克服石墨烯生产已识别瓶颈的进展预期。
4 石墨烯性能
石墨烯的大规模制备主要通过块体石墨的不同剥离方法实现，这些方法以石墨为原料，成本较低。块体石墨中堆叠层通过范德华力相互吸引，这些作用力较弱，足以使层沿垂直于c轴的方向在外力作用下滑动。目前已尝试多种策略来破坏层间范德华引力以实现石墨烯层的解离，多数尝试基于通过机械剥离、氧化与化学插层等不同策略扩大相邻层间距以降低引力的机制。
机械剥离通过施加搅拌与超声等机械力实现解离。近期研究表明，选择与目标剥离材料相互作用良好的溶剂，可降低剥离能耗，减少剥离片的再团聚与重堆叠。为此，已使用插层剂、表面活性剂与功能化剂等多种化学试剂来维持溶液中剥离片的分散状态。
评估不同石墨烯制备方法相对性能涉及多个参数，产品质量及其适用性最为关键。例如，电子与能源应用需要产品在特定范围内的电/热导率，而对于用于结构增强的聚合物基体添加，最关键的特征则是比表面积与基体界面结合能力。另一个重要因素是起始原料、工艺参数与最终产品质量决定的产率。大规模石墨烯生产必须充分考虑可持续制造过程，包括工艺参数、加热与能耗及过程中使用的化学试剂。
各种石墨烯制备方法在质量、成本、可扩展性、纯度与产率等特征上存在差异。部分技术可生产大量石墨烯，但可能牺牲质量；另一些技术可获得高质量材料，但成本较高或产率较低。制备方法的选择通常取决于目标应用及这些因素间的平衡需求。
4.1 微观与宏观尺度表征方法
为更好地区分不同石墨烯产品，已采用多种表征技术。拉曼光谱是用于石墨烯产品质量控制评估的最常用技术，可用于确定层数、取向、边缘质量、电场与磁场、应变、掺杂、无序与官能团等扰动效应。该技术通过比较代表缺陷引起的面外振动的D峰与代表sp2碳原子面内振动的G峰来评估缺陷含量。ID/IG比值提供了缺陷密度的半定量衡量：高质量单层或少层石墨烯通常表现出较低的ID/IG值（如ID/IG ≲ 0.1–0.2），而部分还原氧化石墨烯或高缺陷石墨烯的ID/IG可 ≳ 1.0。
2D峰（2D带）是D峰的二阶泛频。在单层石墨烯中，它表现为单一、尖锐且高强度峰；而在少层与多层石墨烯中，它会展宽、分裂为多个组分且相对强度降低。这些变化结合峰位移动与半高宽（FWHM），为区分商业石墨烯产品中可接受与关键的缺陷水平及评估层厚度提供了实用基准。
另一项关键表征技术是比表面积测量。基于气体吸附/脱附测试可计算比表面积（单位样品质量的表面积，m2/g）与孔径参数。该技术在不同制备工艺开发中比较产品质量时非常有用，也有助于比较针对不同GO、还原GO或热活化rGO生产工艺的效果，特别是当目标是高比表面积或特定孔结构时。此外，BET比表面积是区分工业应用石墨烯效能的另一个重要因素。例如，为实现更高比表面积结构，已采用多种技术制备多孔石墨烯，以解决传统石墨烯高比表面积与有限传质难以兼得的难题。为此，已从石墨烯自组装构建了带孔洞的二维石墨烯与三维多孔石墨烯，或从GO与rGO开发相关结构。多孔石墨烯可提供丰富的暴露边缘，进而加速传质，基于此特性，石墨烯及其杂化物已广泛应用于电化学传感、电催化与电化学储能领域。扫描电子显微镜（SEM）与透射电子显微镜（TEM）是检查石墨烯质量、形貌、层数与其它结构特性的有力工具。X射线光电子能谱（XPS）、核磁共振（NMR）、原子力显微镜（AFM）与紫外-可见光谱等技术也被广泛用于石墨烯相关材料研究。XPS作为表面分析技术，可提供样品表面的定量元素/组分组成信息，对解析碳与其它元素（如氧）的不同成键形式非常有价值。核磁共振（NMR）光谱已被用于研究石墨烯基材料（尤其是GO、rGO与功能化结构）的化学结构。
X射线衍射（XRD）是分析晶体结构、原子排列、晶粒尺寸、缺陷与整体构型的有力工具。在比较石墨、氧化石墨烯（GO）与石墨烯样品时，XRD在辨别其潜在结晶行为方面发挥关键作用，还可作为“指纹”通过独特的衍射图谱来识别材料。例如，石墨在26.5°处的强峰对应（002）晶面，表明碳原子排列有序，层间距为3.35 Å。石墨的特征峰（26.5°）在氧化石墨的XRD图谱中消失，取而代之的是出现在10.5°的弱峰，对应氧化材料的（002）晶面，这种偏移及层间距增至8.41 Å，标志着氧原子成功引入石墨烯结构。进一步的热还原处理会使该峰消失，表明恢复了石墨烯特有的紧密堆积结构。
尽管石墨烯卓越的电学、力学、热学与表面性能奠定了其广泛的技术潜力，但这些性能在工业尺度的实现高度依赖于制备路线、材料质量与加工效率。不同合成方法导致的缺陷密度、层数与表面化学性质的差异，直接影响性能与环境足迹。因此，除本征性能外，可持续性、可扩展性、能耗与原料选择等考量，对于确定石墨烯大规模部署的可行性至关重要。
5 石墨烯生产的可持续性方面
尽管石墨烯常与高性能及下一代材料相关联，但其是否属于“绿色”材料仍存在争议。目前全球石墨烯年产量已超过12000吨，主要源自石墨原料，采用液相剥离与氧化还原等高能耗自上而下工艺。这些方法涉及大量用水、化学品投入与能源消耗，引发了对环境的合理担忧。因此，尽管应用前景广阔，传统形式的石墨烯不能被广泛归类为可持续或环境友好材料。
然而，行业新兴趋势指明了通往绿色认证的可能路径。生物质、食物垃圾与塑料垃圾等替代原料正被积极探索，同时也在开发降低碳排放与化学品依赖的生产方法。此外，石墨烯在水泥增强（减少熟料用量）、下一代锂离子电池及回收塑料或生物塑料增强等可持续发展领域的应用，使其具备了推动更绿色技术的潜力。虽然这些进展无法掩盖当前生产实践的挑战，但它们凸显了若与负责任的原料采购和可扩展的绿色制造路线相结合，石墨烯有望助力循环与低碳经济。
5.1 可再生与废弃物制备石墨烯
从可持续性角度看，多种可再生或废弃来源材料具备转化为石墨烯的潜力，包括生物质与植物衍生废物、食物垃圾、动物衍生废物、煤炭与石油废物及废塑料。
5.1.1 催化剂辅助石墨化可再生与废弃前驱体
催化剂辅助石墨化是将非石墨化碳前驱体转化为石墨烯或类石墨烯纳米结构的最成熟策略之一。铁、镍与钴等过渡金属常被用于在900°C–1100°C以上的高温下促进碳重排为sp2键合结构，该方法已广泛应用于生物质、食物、动物、煤炭与塑料衍生原料。
木质纤维素生物质与植物衍生废物（如木材、纸张、甘蔗渣、棕榈残渣与椰子壳）已成功通过金属催化剂结合热处理转化为少层石墨烯或多孔类石墨烯纳米片。例如，Zhao等人利用浸渍Fe2+离子的废纸杯经高温处理获得适用于电化学应用的石墨烯纳米片。Gomez-Martin等人则采用镍催化石墨化将废弃中密度纤维板转化为孔隙可控、氧含量适宜且金属残留极少的类石墨烯多孔碳。
天然富含含氮有机化合物的动物衍生废物也通过催化剂辅助路线被广泛研究。丝绸、明胶、壳聚糖、甲壳素与鸡羽毛已利用FeCl3、ZnCl2或硼基催化剂转化为氮掺杂石墨烯纳米片，所得材料具有高比表面积与增强的电化学活性。Hou等人证明，利用FeCl3/ZnCl2辅助活化可将丝绸废料转化为分层氮掺杂石墨烯纳米片，比表面积超过2400 m2g−1。Zhao等人2013年的工作利用纸张作为可持续来源，将纸杯经KOH处理后浸渍Fe2+离子，最终在惰性N2气氛下于1100°C处理，促进了木质素与半纤维素纤维向晶体结构的转化，获得了含氧量、含氮量与杂质含量随纸张来源变化的石墨烯纳米材料。
煤炭、石油与油基废物是另一类重要的催化剂辅助前驱体。原煤、石油沥青、生物烟灰与重质燃料油已在高温下利用金属催化剂进行石墨化，随后经氧化还原或剥离过程获得氧化石墨烯或还原石墨烯结构。这类方法受益于化石基废物高芳香族含量，但通常伴随高能耗与复杂的纯化步骤。
聚丙烯、聚乙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯与聚对苯二甲酸乙二醇酯等塑料废物也已通过催化剂辅助热解转化为石墨烯。蒙脱土、纳米粘土或金属盐常被用于促进热分解过程中的碳重排。这些路线为塑料废物升级回收提供了极具吸引力的途径，但在控制缺陷密度与实现一致的石墨烯质量方面仍面临挑战。
5.1.2 无催化剂热与化学活化路线
为降低化学复杂性与环境负担，已开发出从可再生与废弃前驱体制备石墨烯的无催化剂方法。这些方法主要依靠化学活化（如KOH、K2CO3、H3PO4与CO2）或在惰性气氛下的直接热处理，无需过渡金属催化剂。
树皮、木材、农业残余物与食物垃圾等生物质衍生材料已成功通过800°C至1000°C的KOH活化转化为类石墨烯纳米片。Sun等人报道了一种无催化剂将云杉树皮转化为垂直排列石墨烯纳米片阵列的方法，比表面积高达2028–2385 m2g−1，证明了无金属路线在储能应用中的可行性。面包、咖啡渣与茶叶等食物垃圾也已通过水热处理结合中低温碳化转化为石墨烯与石墨烯量子点。这些方法处理温度更低、化学过程更简单，但所得材料通常缺陷密度较高且具有乱层结构。无催化剂路线也已应用于选定的塑料与生物质衍生前驱体，特别是当高比表面积与官能团比结晶完美更重要时。此类材料虽可能无法满足高性能电子器件的要求，但非常适合超级电容器、吸附、传感与环境修复应用。
5.1.3 激光诱导与闪蒸焦耳加热转化废弃碳
激光诱导石墨烯（LIG）与闪蒸焦耳加热（FJH）代表了新一代超快、无催化剂、无溶剂的石墨烯合成路线，在处理速度、图案化能力与可持续性方面具有独特优势。与传统热石墨化方法不同，这些方法依靠极短时间的极端局部加热，能够在最小化总能耗的同时，将含碳前驱体快速转化为类石墨烯结构。
LIG基于光热转换原理，聚焦激光辐照可产生超过2500°C的局部温度，直接将富碳基底转化为多孔石墨烯。该方法已在聚合物、纸张、木材、纺织品、食物垃圾与生物质衍生薄膜等多种前驱体上得到验证。近期综述阐明了LIG形成的潜在机制，强调了非平衡条件下快速碳化、气体释放与sp2重组的作用。重要的是，LIG支持石墨烯的直接书写与图案化，省去了后处理步骤，使其在柔性电子、传感器与可穿戴设备中极具吸引力。
LIG的可持续性通过使用可再生与废弃衍生碳源得到了进一步增强。Claro等人批判性地评估了绿色LIG生产的可持续碳原料，强调了减少化学品使用及与循环经济原则兼容的重要性。Chyan等人演示了利用脉冲CO2激光器将废纸、布料与食物直接转化为少层石墨烯，突显了该方法的通用性。尽管如此，LIG通常产生缺陷密度较高且层均匀性有限的石墨烯，可能限制其在高性能电子应用中的使用。
闪蒸焦耳加热（FJH）由Luong等人提出，是一种更为快速的合成路线，通过放电使含碳材料在毫秒级时间内暴露于超高温（>2000°C–3000°C）。该过程无需催化剂、溶剂或长时间加热循环即可实现近乎瞬时的石墨化。FJH已成功应用于混合塑料废物、炭黑、煤、石油焦、食物垃圾与生物质等多种原料，以克级产量生产出低氧含量的乱层石墨烯。后续研究已将FJH的应用扩展到报废车辆塑料与混合城市垃圾，凸显了其作为可扩展废物升级回收技术的潜力。与传统热解或催化剂辅助石墨化相比，FJH大幅缩短了处理时间并避免了金属污染，但在产品均匀性、缺陷控制与连续化处理方面仍面临挑战，是当前活跃的研究领域。
5.1.4 可持续石墨烯生产的共同挑战与局限
尽管利用可再生与废弃衍生前驱体生产可持续石墨烯取得了进展，但催化剂辅助、无催化剂与快速转化路线仍存在若干共性问题。这些问题包括有效石墨烯产率低、因处理温度高导致的高能耗，以及前驱体成分不均一导致的材料质量显著波动（表现为层数、缺陷密度与氧含量不一致）。催化剂辅助工艺还引入了金属残留去除与催化剂回收的挑战，增加了工艺复杂性与成本。相反，无催化剂热路线常产生乱层或高缺陷石墨烯，限制了其在高性能电子领域的应用。新兴的LIG与FJH技术虽无溶剂且速度快，但也面临厚度控制有限、均匀性差、缺陷调控难以及连续放大与过程控制方面的约束。克服这些局限对于实现可重复、成本效益高且面向特定应用的可持续石墨烯制造至关重要。
5.2 石墨烯的可持续工业应用
领先的石墨烯研究人员与制造商，连同全球众多组织、企业与政府，已承诺致力于联合国2030年“可持续发展”议程与“欧盟绿色协议”。预计城市与社区将在不同应用中融入石墨烯及其衍生物，从而实现全球清洁水与能源的可持续生产。凭借石墨烯基结构优异的化学、力学与物理性能组合，石墨烯的植入将推动一场绿色革命，这体现在广泛的可持续应用中，包括燃料电池/金属空气电池、循环农业、锂离子/锂金属电池、纳米发电机、超级电容器、太阳能电池、气体传感器、太阳能驱动水分解反应、食品包装以及结构与建筑复合材料等五大类：能源存储与转换、传感器与电子学、环境与水处理、生物医学与医疗技术、结构与建筑材料。这种分类既反映了技术成熟度，也体现了可持续性影响。
6 石墨烯生产的标准化
石墨烯生产面临一个关键障碍：不同批次间质量、缺陷、厚度与掺杂的不一致性。这种源于多种制备方法的差异性，给技术人员与产品工程师带来了重大挑战，常导致应用结果不可靠甚至相互矛盾。石墨烯生产与表征中缺乏全面的工业标准、等级与监管认证，是其商业化应用的重要阻碍。
迫切需要制定一套包含详细制造属性与产品特征的全面标准，为大规模生产与产品开发策略提供指导。整个行业都将从标准的实施中受益匪浅。然而，为使标准具有广泛适用性，必须在制定过程中吸纳应用端与制造端的意见。标准化对石墨烯的大规模生产至关重要，它使制造商能够可靠地区分石墨烯产品与其它材料，并确保质量与性能的一致性。
近年来，ISO与IEC等国际标准组织已发布多项石墨烯相关标准。美国、日本、英国、韩国与中国等国积极参与标准制定项目，众多新标准正在规划中。例如，英国国家物理实验室（NPL）制定了ISO/IEC标准ISO/TS 21356-1:2021，用于确保不同结构形式石墨烯的结构性能。该标准规定了横向片层尺寸、片层厚度、无序程度与比表面积等属性的测量方法，为产品正确标注为石墨烯、少层石墨烯或石墨提供了平台。欧洲国家的政府、学术界与国际/国家组织在石墨烯标准化方面做出了巨大努力，其中石墨烯旗舰标准化委员会（GFSC）发挥了关键作用。GFSC积极参与了30多个拟议或制定标准与技术规范的课题，涵盖术语、测量技术、表征方法及石墨烯供应商与买家的规范化流程等领域。然而，仍需建立一个由工业标准支撑的全面、分层的标准体系平台，以提供材料性能与最终产品参数的连贯质量保证。这可以通过参考另一种商用碳基材料——碳纤维的产品规格等级来实现类比。碳纤维等级范围从高性能航空航天级（具有优异的抗拉强度与模量）到更具成本效益的工业级（如T300，因其平衡的力学性能与可负担性常用于汽车与体育用品）。
7 人工智能（AI）在石墨烯产业的潜力
人工智能（AI）在先进材料研究领域展现出变革性力量，尤其深刻影响着二维材料，特别是石墨烯家族多样成员的探索与开发。超越传统实验研究的范畴，AI在多个关键领域提供了独特机遇：
预测能力：利用庞大的材料性能数据集与理论模型，AI算法能够准确预测新型二维材料与石墨烯衍生物的结构、电子与功能特性。这种预测能力使研究人员能够高效筛选巨大的材料空间，识别出针对特定应用的有前景候选材料，从而加速发现与开发进程。尽管石墨烯增强结构潜力巨大，但其力学与物理性能的不确定性目前阻碍了高效开发。AI通过基于有限或全面数据集预测性能，提供了强有力的解决方案。这些预测模型可通过以下方式改变该领域：推进工艺开发，准确预测拉伸强度、弹性模量与热稳定性等力学、化学与物理性能，从而定制生产过程以实现特定特性，减少试错迭代，节省时间，加速新型高性能石墨烯基结构的设计创新；优化资源利用，通过预判资源需求，研究人员可在制造过程中尽量减少材料浪费与能源消耗，促进更可持续且成本效益高的生产实践；模拟表征，AI驱动的模拟可为拉曼光谱、XPS与X射线衍射等材料科学既定表征技术提供额外支持与功能，以评估结构与表面性能；制定开发路线图，通过整合现有研究数据与专家知识，AI可为新型石墨烯家族建议定制化的开发路线图，包括优化合成参数、加工方法与功能化策略，从而以最低的能量、成本与复杂性引导研究人员实现峰值材料性能与功能。
AI正越来越多地被用于评估石墨烯合成与应用的可持续性、循环经济（CE）潜力及“绿色”属性，通过将关于能源使用、排放、溶剂与生命周期末端场景的大型数据集整合到生命周期评估与技术经济模型中。机器学习可帮助识别影响更低的合成路线，并优化工艺参数以最小化废物与资源使用。AI也正越来越多地被用于预测碳基结构的可回收性，这些方法同样直接适用于石墨烯及相关材料。机器学习可预测含石墨烯组件被分离与回收的难易程度，并优化热、化学或电化学回收条件，以在最大化材料回收率的同时最小化能源与试剂消耗。
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