中国粉体网9月24日讯  石墨烯从发现至今，产业化得到了快速的发展，尤其是石墨烯研究获得诺贝尔奖之后，产业化发展呈现加速的态势。但总的来讲，石墨烯产业化仍处在发展的初期，特别是石墨烯整个产业链未实现疏通和整合。在整个石墨烯产业链中，存在制约石墨烯产业化发展的几大瓶颈，包括石墨烯制法、转移技术、打通下游应用等诸多问题。要真正实现石墨烯的产业化，必须在这些方面取得进一步的突破。

　　石墨烯--极具开发潜力的新材料

　　独特的结构

　　石墨烯（Graphene）是一种由碳原子构成的单层片状结构的新材料。石墨烯是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一个碳原子厚度的二维材料。石墨烯此前一直被认为是假设性的结构，无法单独稳定存在，直至2004年，英国曼彻斯特大学物理学家安德烈？海姆和康斯坦丁？诺沃肖洛夫，用一种简单的机械剥离法成功地分离出石墨烯，而证实它可以单独存在，两人也因“在二维石墨烯材料的开创性实验”，共同获得2010年诺贝尔物理学奖。

　　顶尖的性能

　　石墨烯是已知的世界上最坚硬的纳米材料。石墨烯是人类已知强度最高的物质，比钻石还坚硬，强度比世界上最好的钢铁还要高上100倍。据科学家们测算，要施加55牛顿的压力才能使1微米长的石墨烯断裂。如果物理学家们能制取出厚度相当于普通食品塑料包装袋的（厚度约100纳米）石墨烯，那么它将能承受大约两吨重的物品。

　　石墨烯是世界上导电性最好的材料。石墨烯电子的运动速度达到了光速的1/300，远远超过了电子在一般导体中的运动速度。常温下其电子迁移率达到20万cm2/V??s，是硅的100倍，是被认为载流子迁移率最大的锑化锢（7.7万cm2/V？s）的2倍多。石墨烯的电阻率只有约10-6Ω??cm，比铜或银更低，为世上电阻率最小的材料。石墨烯可耐受1亿～2亿A/cm2的电流密度，这是铜耐受量的100倍左右。

　　石墨烯是世界上导热性最好的材料。石墨烯导热系数高达5300W/m??K，高于碳纳米管和金刚石，更远高于常用的散热材料铜（401W/m??K）以及最好的导热金属银（420W/m??K）。

　　石墨烯是世界上最薄最轻的材料。石墨烯是单碳原子层，厚度仅0.34nm，比表面积达到2630m2/g。除此之外，石墨烯还具备高透光率（几乎完全透明，只吸收2.3%的光），高性能传感，高吸附强过滤，常温可实现无散射传输等优良而独特的性能。

　　广阔的应用前景

　　石墨烯独特的结构带来了优越的性能，科研人员发现，从小到纳米级的微电子晶体管至大到万千米级的宇宙电梯石墨烯都有着巨大的应用潜力。

　　石墨烯在以下几个具体领域的应用发展比较清晰。

　　电子领域：1.柔性屏、可穿戴设备。石墨烯几乎完全透明，导电性能卓越，而且碳原子的连接十分柔韧，可以用于制作透明导电膜，柔性材料，应用于柔性电容触摸屏、OLED面板、柔性LCD面板等。2.作为芯片材料，替代硅。石墨烯电子迁移速度极快（室温下可达20万cm2/V？s，是硅的100倍），可以制作速度达THz级别的晶体管，因此可用来替代硅，作为新一代超级计算机的芯片材料。

　　能源领域：1.作为电极负极材料。石墨烯理论比容量可达780mAh/g，为常用的石墨电极的2倍多，用石墨烯作为锂电池负极材料将极大提高电池能量密度。石墨烯可使电容器电容容量将呈倍数增长，且能量密度大幅增加，因此石墨烯可用于超级电容器的制造。2.作为太阳能电池的透明导电膜。石墨烯厚度很薄，载流子迁移率很高且具备全光线透过性。是太阳能电池导电膜的理想材料。

　　散热材料领域：石墨烯的高导热率（导热系数5300W/m？K），是常用导热材料铜的13倍多，且远高于石墨。是手机、计算机芯片、LED照明设备的理想散热材料。

　　生物医学领域：由于石墨烯的可修饰化学功能、大接触面积、原子尺寸厚度、分子闸极结构等特色，可用于药物载体、细菌侦测、快速电子DNA定序科技等。

　　环保领域：石墨烯及其复合材料有较强的吸附性与过滤性，在海水淡化、污水处理方面有着巨大的应用价值。

　　产业化处在发展初期，有待进一步突破

　　石墨烯标准尚需进一步规范

　　石墨烯的层数应不超过10层。目前石墨烯的研究和应用开发正在迅猛发展，但各石墨烯研究单位和企业在石墨烯的定义、性能、制备方法、检测表征方法等行业技术核心问题上尚未形成共识，这对石墨烯产业的发展乃至上下游企业间的交流造成了不可忽视的影响。事实上，现在全世界对石墨烯也没有一个明确的定义。研究表明，从电学性质上讲，两层与三层、乃至十层的碳原子也具有各自特殊性质，目前10层以内的说法逐渐被学术界认可。

　　石墨烯微片的层数为10～300层。从中国石墨烯联盟标准化委员会发布的石墨烯标准来看，严格意义上只有不多于10个原子层才能称之为石墨烯。而事实上如今市场上大量的原子层数达到数十层甚至几百层的产品也与石墨烯关联，称作石墨烯微片。

　　层数不同、形态不同，石墨烯具体应用领域有所不同。性质上，层数越少越接近石墨烯，层数越多越向石墨靠近。就中国而言，总体来看，目前批量生产石墨烯的方式主要是两种：一种是利用化学气相沉积在金属表面生长出单层率很高，面积很大的石墨烯薄膜材料，又可细分为单晶薄膜和多晶薄膜；一种是将天然石墨通过物理或者化学的方法粉碎，形成石墨烯粉体。石墨烯的层数不同、形态不同，石墨烯具体应用领域有所不同，相应的各领域产业化进度也不相同。

　　石墨烯各领域产业化进度不一。石墨烯各类材料中单晶薄膜可以用于晶体管、集成电路等电子领域，这个领域的发展有待于石墨烯带隙问题的解决，产业化还较为遥远。而多晶薄膜用于替代ITO玻璃，制造触摸屏、柔性屏、显示屏和太阳能电池等的透明电极，随着石墨烯导电膜良率的提升有望在10年内实现产业化。石墨烯粉体包括石墨烯微片可广泛应用于能源、导电、导热、印刷涂料等领域，目前虽然已经有了一些相关产品，但要实现产业化生产还需进一步提升石墨烯粉体的纯度。另外，功能化的石墨烯在生物医学、环境领域等也有巨大的应用价值，但仍处在实验室阶段。

　　从石墨烯专利技术看石墨烯产业化阶段

　　一种技术的生命周期通常由萌芽（产生）、成长（发展）、成熟、瓶颈（衰退）几个阶段构成。通过分析一种技术的专利申请数量及专利申请人数量的年度变化趋势，可以分析该技术处于生命周期的何种阶段，进而可为研发、生产、投资等提供决策参考。

　　技术生命周期显示石墨烯相关技术进入成熟期、产业化开启。从技术生命周期主要阶段简介和石墨烯专利技术周期图来看，2008年之前石墨烯专利在申请很少，可以认为是石墨烯专利技术萌芽阶段；2009～2012年，石墨烯专利在申请数量以及申请人数量上都大幅上升，可以认为石墨烯专利技术开发进入成长阶段；从2012年到2013年的数据来看，石墨烯专利技术数量平稳增长，增速较之前大幅放缓，预计今后几年数量将会保持稳定的增长，可以认为从2013年开始石墨烯相关技术开始进入成熟阶段。技术成熟意味着产业化的开始，目前，已经有部分企业在石墨烯应用的一些领域开始了产业化开发。

　　石墨烯产业化处在发展初期，放量还需突破几大瓶颈

　　石墨烯产业化已经开启，但要真正实现产业化的规模化放量生产，还需突破石墨烯产业链中的四大瓶颈。

　　瓶颈一：大面积高质量石墨烯薄膜、高纯度石墨烯粉体的生产方法尚不成熟。目前，个别企业已经实现了一定数量的手机石墨烯触摸屏生产，但良率还不高。用于大型LCD、OLED的大面积透明导电膜的品质更不能保证。相对于目前采用的多晶薄膜，单晶生长制备的石墨烯薄膜质量更高，但目前单晶薄膜制法研究还处于实验室阶段，因而要实现更稳定更大面积的石墨烯制备尚需时日。石墨烯粉体产品的纯度也有待提高，超声、爆炸等粉体制备方法还需改进。

　　瓶颈二：在石墨烯薄膜产业链上，转移仍是一大问题。当在生长基底上生长出石墨烯后，完美的转移到pet、玻璃等产品基底还很难，导致该步的成本较高，制约了石墨烯薄膜的进一步产业化应用。

　　瓶颈三：石墨烯带隙问题，透明导电膜良率问题，添加、改性、催化等实际性能与理论差异问题。石墨烯的一大应用领域是替代硅，制作新一代的晶体管或集成电路，然而零带隙使得石墨烯晶体管不能实现电流开关的逻辑运算，虽然研究中已经实现了打开带隙，但真正解决预测至少还需10年的时间。石墨烯粉体由于自身纯度问题对其他材料的改性导致的导热、导电的性能提升并没有显著优势。而石墨烯与金属材料的接触点电阻过高的问题也没有解决，直接制约了石墨烯在锂电池、复合导电材料方面的产业化进程。

　　瓶颈四：下游蓝海未全面打开，石墨烯替代已成熟产品陷入苦战。目前除小部分石墨烯产品有一定的实际应用市场外，其他更多更大的应用领域并未打开，一些石墨烯生产厂商生产的石墨烯仅供给到科研院校、企业研究院等用于石墨烯研究。下游需求的不明确和疲软影响了石墨烯的产业化发展。石墨烯目前替代已成熟产品也比较困难。比如，石墨烯替代ITO这样的成熟产品，在良率上没有保证，成本上也处于劣势。

　　石墨烯制法：产业化进一步发展的关键。能否突破石墨烯的制法瓶颈对石墨烯整个产业化发展最为关键，石墨烯的制法处于石墨烯产业链的中端，是整合上下游产业链的关键。石墨烯的制法决定了石墨烯能否将自身的完美优点发挥出来，也决定了石墨烯产业化能否最终实现突破，创造一个市值达万亿级的新兴产业。

　　国外石墨烯产业发展情况

　　全球积极布局石墨烯研究和产业化

　　石墨烯自初次被发现就被赋予“神奇材料”、“材料之王”等美誉。由于石墨烯在能源、材料等各大领域都具有巨大的应用潜力，世界各国对石墨烯都给予了很高的关注，并积极组织财力人力进行石墨烯相关的研究开发和产业应用布局。安德烈？海姆和康斯坦丁？诺沃肖洛夫因对石墨烯的研究共同获得2010年诺贝尔物理学奖以后，全球石墨烯专利申请数量开始急剧增长，累计增长率近几年均不低于100%。

　　美国、欧盟、英国、韩国等都积极投入到石墨烯研发和产业化应用中，力图在石墨烯带来的产业化创新浪潮中争取技术制高点，占据先发优势。

　　欧盟将石墨烯研究提升至战略高度。欧洲是石墨烯的诞生地，长期以来一直通过欧盟框架计划支持石墨烯研究，欧盟委员会于2013年一月选定石墨烯项目作为欧盟首个10年投入10亿欧元的“未来和新兴技术旗舰项目”，这一项目的使命是帮助石墨烯从实验室走向社会，促进经济增长，并创造新就业。石墨烯旗舰项目将组成产学研联盟，涵盖从材料到零件和系统集成的整个价值链。

　　英国、韩国相继发力石墨烯商业化。2011年10月，英国政府宣布将投入5000万英镑支持石墨烯商业化应用研究。2012年12月，英国政府追加2150万英镑用于石墨烯的商业化探索研究。包括石墨烯在柔性电子和光电子、功能涂层、超级电容和电池等方面的研究。韩国在2007～2009年间累计资助了90项石墨烯相关研究项目，经费达1870万美元。2012～2018年间，韩国知识经济部预计将向石墨烯领域提供2.5亿美元的资助，用于石墨烯技术研发和商业化应用研究。

　　美日等在石墨烯上的投入力度也不甘落后。2006年～2011年，美国国家自然科学基金（NSF）关于石墨烯的资助项目有200项，包括石墨烯超级电容器应用、石墨烯连续和大规模纳米制造等项目。2008年，美国国防部高级研究计划署（DARPA）投资2200万美元研发超高速和低耗能的石墨烯晶体管。同时，至少有10多家公司在研发与产业化方面取得了新的拓展。日本学术振兴机构（JST）从2007年起开始对石墨烯硅材料、器件的技术进行资助。德国于2009年由科学基金会（DFG）开展石墨烯新兴前沿研究项目。

　　几大顶尖公司引领石墨烯产业化发展

　　三星：积累大批石墨烯专利技术

　　三星电子是世界最大的IT企业，其中LCDTV、LEDTV和半导体等产品的销售额均在世界上高居榜首。由于石墨烯在三星的主营业务领域均有着重大的应用前景，三星对石墨烯研究应用十分重视，积累了大批石墨烯相关的技术专利。

　　三星的石墨烯专利遍布触摸柔性屏，曲面显示屏、石墨烯晶体管等各个领域。2010年6月三星电子与韩国成均馆大学（SungkyunkwanUniversity）利用CVD法开发出了30英寸单层石墨烯膜，创造石墨烯膜尺寸记录。2012年5月，三星电子开发出了新的石墨烯晶体管，通过结合硅和石墨烯，在不改变石墨烯本身的前提下实现了对电流的关闭，满足了逻辑电路的要求，并大幅提升了石墨烯晶体管的运算能力。2014年4月，三星电子宣布发现一种突破性的合成方法，可以将大面积石墨烯加工成半导体的单一晶体，仍旧能够保持电力和机械属性，这在全球范围内尚属首次，有助于可折叠显示屏、可穿戴设备和其他下一代电子设备的发展。

　　IBM：不断刷新石墨烯晶体管运行速度

　　IBM是全球最大的信息技术和业务解决方案公司。与三星一样，IBM也在石墨烯研发上积累了多项技术优势。IBM的石墨烯研发主要在石墨烯晶体管领域，是该领域的技术领先企业。利用石墨烯的高载流子迁移率及高迁移速度制作的THz频率的晶体管。理论上估计其工作频率可达到10THz。IBM也在迅速的刷新其石墨烯晶体管的最大截止频率。

　　诺基亚：或重新定义手机

　　诺基亚是欧盟石墨烯旗舰联盟的一员，获得欧盟未来与新兴技术组织13.5亿美元的经费，用于石墨烯的相关研究。早在2008年，诺基亚和剑桥大学联合展示了一款名为Morph的概念手机。由于采用了纳米技术的柔软材料，该手机具有灵活柔软和可塑的特性。到2012年，在研究中心展示的文档中，已用“石墨烯”取代了“纳米材料”。通过将石墨烯技术与手机制造相结合，Morph概念手机可以具备变形柔性、自我清洁和修复、太阳能充电、环境感应能力等多项特性。

　　诺基亚传感器。2013年6月11日诺基亚一项石墨烯传感器专利获得了授权。科研人员将石墨烯应用于摄像领域，这一材质对光线的敏感度是普通摄像头高1000倍。石墨烯有利于诺基亚研发规格更小的4100万的传感器，而低光方面的成像效果也将更理想。

　　中国石墨烯产业化进展

　　中国论文、专利数世界第一

　　我国石墨烯领域研发起步较晚，但发展较快，有潜在优势和后发优势。目前，我国在石墨烯基础研究方面已经十分突出。据专利咨询公司CambridgeIP的数据，截至2012年底，我国发表的石墨烯论文数目、专利申请数目均已超过美国，名列世界首位。

　　中国重视石墨烯研发和产业化发展

　　2007～2013年间，中国国家自然科学基金会（NSFC）关于石墨烯的资助项目有1096项。包括新型石墨烯-TMDs基纳米复合材料水体降解应用、新型碳基复合材料、钛酸锂/石墨烯负极材料的可控合成及其电化学性能研究等。2012年，工信部发布《新材料产业“十二五”发展规划》，提出要积极开发纳米粉体、纳米碳管、富勒烯、石墨烯等材料，推进其在相关领域的研究应用，规划中的前沿新材料就包含石墨烯。

　　中国石墨烯产业在短短几年内取得了迅速发展

　　2010年，江苏常州市委市政府决定投资5000万，成立江南石墨烯科技产业园。2011年开始连续3年举办石墨烯发展高层论坛，努力建设产学研金一体化的石墨烯研究中心和新型创新产业集群，力争成为国际化的石墨烯产业发展先导区。2013年7月13日，中国石墨烯产业技术创新战略联盟成立，在全国布局4大石墨烯产业创新基地。常州二维碳素科技公司、无锡格菲电子薄膜科技公司、深圳合力光电传感公司、宁波墨西科技公司等公司都在石墨烯产业化道路上取得了重大突破。同时包括中科院、清华大学等在内的科研单位也在石墨烯研发与产业化上做了大量的攻关，力求取得突破性的进展。

　　多种制法快速发展，大规模产业化还需时日

　　石墨烯制备技术发展迅速。石墨烯优良的性能和广泛的应用前景，极大的促进了石墨烯制备技术的快速发展。自2004年Geim等首次用微机械剥离法制备出石墨烯以来，科研人员又开发出众多制备石墨烯的方法。其中比较主流的方法有外延生长法、化学气相沉淀（CVD）法和氧化石墨还原法等。

　　现有制法还不能满足石墨烯产业化的要求。包括微机械剥离法、外延生长法、化学气相沉淀（CVD）法和氧化石墨还原法在内的众多制备方法目前仍不能满足产业化的要求。特别是产业化要求石墨烯制备技术能稳定、低成本地生产大面积、纯度高的石墨烯，这一制备技术上的问题至今尚未解决。

　　微机械剥离法

　　石墨烯首先由微机械剥离法制得。微机械剥离法即是用透明胶带将高定向热解石墨片按压到其他表面上进行多次剥离，最终得到单层或数层的石墨烯。2004年，Geim，Novoselov等就是通过此方法在世界上首次得到了单层石墨烯，证明了二维晶体结构在常温下是可以存在的。

　　微机械剥离方法操作简单、制作样本质量高，是当前制取单层高品质石墨烯的主要方法。但其可控性较差，制得的石墨烯尺寸较小且存在很大的不确定性，同时效率低，成本高，不适合大规模生产。

　　外延生长法

　　外延生长方法包括碳化硅外延生长法和金属催化外延生长法。碳化硅外延生长法是指在高温下加热SiC单晶体，使得SiC表面的Si原子被蒸发而脱离表面，剩下的C原子通过自组形式重构，从而得到基于SiC衬底的石墨烯。

　　金属催化外延生长法是在超高真空条件下将碳氢化合物通入到具有催化活性的过渡金属基底（如Pt、Ir、Ru、Cu等）表面，通过加热使吸附气体催化脱氢从而制得石墨烯。气体在吸附过程中可以长满整个金属基底，并且其生长过程为一个自限过程，即基底吸附气体后不会重复吸收，因此，所制备出的石墨烯多为单层，且可以大面积地制备出均匀的石墨烯。

　　化学气相沉淀（CVD）法：最具潜力的大规模生产方法

　　CVD法被认为最有希望制备出高质量、大面积的石墨烯，是产业化生产石墨烯薄膜最具潜力的方法。化学气相沉淀（CVD）法具体过程是：将碳氢化合物（甲烷、乙醇等）通入到高温加热的金属基底（Cu、Ni）表面，反应持续一定时间后进行冷却，冷却过程中在基底表面便会形成数层或单层石墨烯，此过程中包含碳原子在基底上溶解及扩散生长两部分。该方法与金属催化外延生长法类似，其优点是可以在更低的温度下进行，从而可以降低制备过程中能量的消耗量，并且石墨烯与基底可以通过化学腐蚀金属方法容易地分离，有利于后续对石墨烯进行加工处理。

　　三星用这种方法获得了对角长度为30英寸的单层石墨烯，显示出这种方法作为产业化生产方法的巨大潜力。但该过程所制备出的石墨烯的厚度难以控制，在沉淀过程中只有小部分可用的碳转变成石墨烯，且石墨烯的转移过程复杂。

　　氧化石墨还原法

　　氧化石墨还原法也被认为是目前制备石墨烯的最佳方法之一。该方法操作简单、制备成本低，可以大规模地制备出石墨烯，已成为石墨烯制备的有效途径。另外该方法还有一个优点，就是可以先生产出同样具有广泛应用前景的功能化石墨烯--氧化石墨烯。

　　其具体操作过程是先用强氧化剂（浓硫酸、浓硝酸、高锰酸钾等）将石墨氧化成氧化石墨，氧化过程即在石墨层间穿插一些含氧官能团，从而加大了石墨层间距，然后经超声处理一段时间之后，就可形成单层或数层氧化石墨烯，再用强还原剂（水合肼、硼氢化钠等）将氧化石墨烯还原成石墨烯。

　　其他制备石墨烯的方法还有碳纳米管切割法、石墨插层法、离子注入法、高温高压（HPHT）生长法、爆炸法以及有机合成法等。

　　制备大面积、高质量的石墨烯仍然是一个较大的挑战。虽然化学气相沉淀法和氧化还原法可以大量的制备出石墨烯，但是化学气相沉淀法在制备后期，对于石墨烯的转移过程比较复杂，而且制备成本较高，另外基底内部C生长与连接往往存在缺陷。利用氧化还原法在制备时，由于单层石墨烯非常薄，容易团聚，导致降低石墨烯的导电性能及比表面积，进一步影响其在光电设备中的应用，另外，氧化还原过程中容易引起石墨烯的晶体结构缺陷，如碳环上碳原子的丢失等。

　　制法制约石墨烯产业化。石墨烯的各种顶尖性能只有在石墨烯质量很高时才能体现，随着层数的增加和内部缺陷的累积，石墨烯诸多优越性能都将降低。要真正的实现石墨烯应用的产业化，体现出石墨烯替代其他材料的优越品质，必须在制备方法上寻求突破。只有适合工业化的石墨烯制法出现了，石墨烯产业化才能真正到来。

　　石墨烯产业应用前景广阔

　　由于石墨烯所具备的优异性能，未来在能源、电子材料、生物医学以及环境保护等诸多领域有着广阔的应用前景。

　　能源领域

　　作为锂电电池负极材料：大幅提升续航能力

　　负极材料是锂离子电池的四大关键材料之一，约占整个电芯成本的15%。锂电池负极材料的主要种类有天然石墨，人造石墨，中间相炭微球及其他类型。石墨类负极材料仍然占据锂电负极材料的主流地位，但新型负极材料（如钛酸锂等、石墨烯）等的研发与应用也在迅速发展。

　　石墨烯具备高理论比容量。石墨具备电子电导率高、锂离子扩散系数大、层状结构、在嵌锂前后体积变化小、嵌锂容量高和嵌锂电位低等优点，但石墨的理论比容量只有372mAh/g，因此要实现锂离子电池高比能量化，单纯的石墨显然不能满足要求，必须研究开发高容量的负极材料。石墨烯大的比表面积及其良好的电学性能决定了其在锂离子电池领域的巨大潜力。由于石墨烯是由单层碳原子紧密排列构成，锂离子不仅可以存储在石墨烯片层的两侧，还可以在石墨烯片层的边缘和孔穴中存储，其理论比容量为740～780mAh/g，约为传统石墨材料的2倍多。

　　石墨烯可大幅提升锂电池性能。用石墨烯作为锂离子电池负极材料将极大提高电池储锂容量，进而提高能量密度。此外，用石墨烯作为锂离子电池负极材料时，锂离子在石墨烯材料中的扩散路径比较短，且电导率较高，可以很大程度提高其倍率性能。因此，石墨烯作为锂离子电池负极材料具有良好的应用前景。

　　政策助推锂电池产业发展。国家十二五规划提出要大力发展新能源产业，对相关行业或企业给予政策支持和财政补贴。近两年，新能源汽车行业得到了迅速的发展。特斯拉进入中国引起了一番新能源汽车的热潮。同时，也极大刺激了对锂电池的需求，推动了负极材料市场的发展。

　　负极材料市场规模保持高速增长。以2013年CCID数据为例，中国负极材料总体出货量约3.6万吨，整体市场规模约为26亿元，而且近几年都保持了至少20%的增长率。预计到2015年，中国负极材料总体出货量超过5.5万吨，而全球的负极材料出货量则将达到近12万吨。

　　作为电容器电极材料：助推超级电容器发展

　　超级电容具备法拉级静电容量。超级电容器，又名电化学电容器，是一种介于传统电容器与电池之间、具有特殊性能的电源，其基本原理和其它种类的双电层电容器一样，超级电容器电荷距离远比传统电容器所能实现的距离更小，活性炭电极表面积成数量级增大，使得超级电容较传统电容器而言有超级大的静电容量（达到法拉级），这也是其超级所在。

　　超级电容能量密度低于锂电池。超级电容器充电时间极短，这是相对于电池的优势。然而超级电容的低能量密度，限制了其作为主动力源(行情,问诊)的应用。目前超级电容器的能量密度普遍低于20wh/kg，而锂电池的能量密度平均水平在100wh/kg以上。在新能源领域超级电容一般作为锂电池的辅助电源，制动时回收能量，爬坡，加速时提供峰值高功率，减少高倍率放电、频繁启动对锂电池的损伤。

　　石墨烯将影响未来电池格局。超级电容受到电极材料的制约，最大的性能缺陷在于其能量密度过低，难以作为单一储能能源提供长效功率输出，而石墨烯的出现可望改变这一现状。超级电容的负极材料主要是活性炭，活性炭具有高比表面积（达到1600m2/g）、多孔径等特点。而石墨烯却有着更高的比表面积（2630m2/g）和更好的导电性能，同时石墨烯自身的独特褶皱以及叠加效果，可以形成纳米孔道，保证了电极的多孔性能。

　　石墨烯可使超级电容能量密度接近锂电池。从目前看到技术进展看，石墨烯有望提升超级电容能量密度达到10倍以上。将可以大大改变目前超级电容性能上的不足。目前世界石墨烯超级电容器最先进水平大约可以达到90Wh/kg（实验室水平），已经接近普通的锂电池。一旦超级电容器突破了能源密度瓶颈，同时具备了高功率密度与高能量密度，必将在电池能源领域占据主导地位。

　　超级电容市场规模迅速扩大。超级电容可以广泛应用于辅助峰值功率、备用电源、存储再生能量、替代电源等不同的应用场景，在工业控制、风光发电、交通工具、智能三表、电动工具、军工等领域具有非常广泛的应用前景。根据美国能源局测算，超级电容的市场容量从2007年的40亿美元，增长到2013年的120亿美元。而中国市场超级电容2013年则达到了19.2亿元人民币，随着新能源汽车在中国市场的快速发展，将进一步推动对超级电容的需求，预计到2016年，中国超级电容市场规模将达到33亿元，年增长率保持在20%以上。

　　作为太阳能电池透明电极：提高光电转化效率是关键

　　太阳能电池用透明导电膜，对透光度和导电性都有很高的要求。目前透明电极的主流材料是氧化铟锡（ITO），但ITO里的金属离子容易自发扩散，且热稳定性较差。另外，ITO在作为太阳能电池对电极的时候，需在其表面镀一层铂，来增强其导电性，这大大增加了制备成本。

　　石墨烯具备全光线透过性能。石墨烯是一种超薄、透光性良好且电性能优异的导体材料，且石墨烯对所有红外线具有高透明性，有利于提升光能利用率，这是ITO所不具备的。透光率升高会导致载流子密度的降低，但由于石墨烯具有非常高的载流子迁移率，即使载流子密度非常小，也能确保一定的导电率。这使得石墨烯成为替代ITO作为太阳能电池透明电极的理想材料。

　　石墨烯有望大幅提升太阳能电池转换效率。目前市场上量产的单晶与多晶硅太阳电池太阳能电池的转换效率在15%左右，仍是一个比较低的水平。用石墨烯作为透明电极材料，有望大幅提升转化率，充分利用太阳能。最近有些研究机构正在积极进行光电转换层材料的开发，一些红外线高效转换技术也相继面世。这样一来，如果可以利用对红外线透过度也较高的透明导电膜如石墨烯，那么就可期待实现远远超过现有太阳能电池的转换效率。

　　电子材料领域

　　作为透明电极：替代ITO广泛应用于触摸屏，显示器等

　　石墨烯能很好的满足透明导电膜的要求。石墨烯具有高透明性（只吸收2.3%的光），强韧性（可弯曲，拉伸20%仍不断裂）以及优良的导电性能。可以用于制作柔性材料，生产用于电容触摸屏，柔性LCD面板，柔性OLED显示器等，是替代ITO作为新型透明导电膜的理想材料。

　　石墨烯更具备ITO不具有的柔性特征。与ITO相比，石墨烯除了具备作为透明导电膜所必须的良好的透明性和导电性，更具备了强韧性这一ITO不具备的性能，这使得石墨烯在柔性屏方面有着ITO不能企及的应用优势。

　　美国纽约时间2013年5月15日，全球石墨烯材料开发技术领导者蓝石科技展示了其突破性的多点触控柔性触摸屏，这项技术可运用于智能手机、平板电脑及笔记本电脑上。以石墨稀材料技术制作的柔性触摸屏可让不规则或弧形的移动设备实现先进的多点触控功能。

　　石墨烯触摸屏触控原理。石墨烯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。

　　平板电脑需求的增加以及智能手机普及率的不断提升给石墨烯触摸屏的发展应用提供的广阔的空间。根据NPDDisplaySearch的预测，平板电脑的出货量不断攀升，预计将从2014年开始完全超越笔记本电脑的出货量。2014年全球平板电脑出货量将增至3.15亿台，到2017年，平板电脑出货量将攀升至4.55亿台，占到所有移动电脑出货近75%的市场份额。

　　NPDDisplaySearch预测，2017年全球智能手机出货量将达到18亿部，未来五年智能手机的复合年均增长率将达到21%。智能机出货的增长将主要来自于亚太地区，特别是中国。中国智能手机出货量预计在2013年增长63%，至2017年将占到全球智能手机市场的30%，达到5.4亿部。

　　可穿戴设备市场的飞跃给石墨烯带来了巨大的机遇。由于可穿戴设备对屏幕柔性要求较高，特别是要求达到可折叠，可大幅度弯曲，拥有高韧性的石墨烯是解决这一问题的理想材料。

　　石墨烯助力可穿戴设备发展。石墨烯不仅可以满足可穿戴设备屏幕柔性的要求，还可以直接用于可穿戴设备的传感器，据相关媒体报道，美国科学家日前用石墨烯开发出一种只有指甲盖大小的红外线图像传感器。不同于目前常见的中红外和远红外图像传感器，新技术无需笨重的冷却装置就能运行，首次实现了在室温下对全红外光谱的观测。不仅如此，由于体积小、重量轻，它甚至能够集成到隐形眼镜或手机中，未来还有望在军事、安保、医学等多个领域获得应用。

　　可穿戴设备市场空间巨大。根据NPDDisplaySearch可穿戴式设备市场及预测报告显示，可穿戴式设备市场如移动追踪器、通知装置、智能手表及头戴式显示器等，在2013年开始起飞。市场成长动能可望拉升今年出货量达4800万台，随着各厂商陆续推出以及消费者的采用知觉提高，预计于2015年可穿戴式设备市场将达到全球9200万台。且同时有别于2013年为止的市场成长动能，2014年起中国大陆将成为全球最大的市场，预计到2020年全球可穿戴式设备市场将达1.53亿台。

　　透明导电膜之争：石墨烯vsITO

　　透明导电膜是光电器件的核心部件。透明导电膜是在可见光范围内具有高透明率且具有导电特性的一种薄膜，为晶粒尺寸数百纳米的多晶层，主要用于光电器件如OLED的透明电极、触摸屏透明导电膜、薄膜太阳能电池的透明电极等。透明导电膜的性能指标主要有两个：透光度和导电性，理想的透明导电膜要求在透光度和导电性两个方面都达到较高的水平。

　　透明导电膜应用主要以ITO材料为主。ITO导电膜导电性能好，电阻率可达10-4Ω？cm，可见光透光率高，可达85%以上。高的可见光透光率与相当低的电阻率结合在一起，使ITO薄膜成为目前综合性能最优异的透明导电材料之一。在制程上，ITO以磁控溅镀工艺为主，即用高能粒子轰击靶材，使靶材中的原子溅射出来，沉积在基底表面形成薄膜的方法。

　　透光度和导电性二者存在矛盾。透明导电膜的两个性能指标指标存在着此消彼长的关系，透光度越高往往导电性就比较差，反之亦然。一般来讲，在电阻率一定的情况下，要使导电性增加（面电阻越低），就必须增加导电膜层数，这使得透光度下降。影响电阻率大小的因素主要包括载流子浓度、载流子迁移率等，载流子浓度或载流子迁移率越大，薄膜的电阻率就越小。

　　石墨烯是理想的透明导电膜。从图中可以看出，ITO正好处在透明性与导电性微妙的此消彼长关系的边缘线上。这也是超越ITO的替代材料迟迟没有出现的原因。而石墨烯却能满足这一关系成为理想的透明导电膜。其原因是，由于载流子迁移率非常高，即使载流子密度较低，导电性也不容易下降，而通过叠加多层石墨烯可以明显提升载流子密度，与此同时透光度仍能满足要求。

　　ITO透明导电膜存在短板。ITO透明导电膜仍是当前触控面板最主要的应用材料，但其却又诸多不足：主要原料铟有剧毒，且是稀土元素，蕴藏量日益减少、铟价持续走高导致原料成本偏高、过度集中单一技术。ITO机械性能很差，经不住折绕，无法应用于柔性电子器件，需刻蚀和久用后会泛淡黄光，不装防反射膜难以提高透光率等等。特别是机械性能的短板，限制了其在柔性触摸屏、曲面屏等具有巨大发展潜力的市场上的应用。

　　而石墨烯能很好的解决ITO导电膜当前的一系列不足，石墨烯能满足透明性与导电性的要求，强韧性能拓展柔性电极应用领域。同时，石墨烯能透过红外光，这对于提升光能转换效率十分关键。

　　石墨烯取代ITO还需自身制作工艺。与已经产业化生产的ITO导电膜相比，石墨烯目前还存在许多问题，由于制作大面积石墨烯时会混入很多杂质及缺陷，因此大多数试制品的导电性及透明性都未达到ITO的水平，要真正的取代ITO，石墨烯在制作工艺上还需要大幅改进。

　　作为芯片材料：新一代的晶体管、电子元件

　　石墨烯具备高载流子迁移率。石墨烯电子迁移速度极快（室温下可达20万cm2/V？s），是硅的100倍，是被认为载流子迁移率最大的锑化锢（7.7万cm2/V？s）的2倍多，石墨烯中晶格的震动对电子散射很少，所以石墨烯迁移率大小几乎不随温度变化而变化，这使得石墨烯能在很宽的一个温度范围内保持高载流子迁移率。因此石墨烯可用来替代硅，成为新一代的电子元件或晶体管。

　　石墨烯有望延续“摩尔定律”。半个多世纪以来，电子产品始终遵循着“摩尔定律”而迅速发展。由摩尔定律可知，1个芯片中能容纳的晶体管数目大约每十八个月就会增加1倍。但是，目前摩尔定律的延续面临着电子材料刻蚀极限线宽的极大挑战。目前集成电路晶体管普遍采用硅材料制造，但是，当硅材料尺寸小于10纳米时，制造出的晶体管的稳定性将没有保障。

　　石墨烯的出现有望延续这一定律。石墨烯高度稳定，甚至只有一个六圆环存在的情况下仍会稳定存在。因此即使石墨烯切割成只有1纳米宽的元件，其导电性也很好，而且制备出的晶体管尺寸越小，性能越好，且比普通晶体管效率更高、速度更快、能耗更低。

　　石墨烯的运行速度可达太赫兹。在现有材料和技术条件下，产生4、5GHz以上的频率难度都相当高。由于电子在石墨烯电路中的运行速度远高于硅，石墨烯电路可以运行在比硅电路高得多的频率上，比如100GHz甚至1THz。

　　整个集成电路可以在同一片石墨烯上获得。与一维纳米材料相比，石墨烯基电子器件的显著优势是整个电路可以在同一片石墨烯上获得，有可能避免一维材料基器件中难以实现的集成问题，方这便了集成电路的实现，可以得到巨大应用前景的全碳集成电路。而且目前石墨烯晶体管所使用的处理工艺和目前广泛应用的硅设备制造技术也是兼容的，这大大推进了石墨烯晶体管的研究发展。

　　IBM制成了首个全功能石墨烯集成电路。IBM研究人员近日取得了一项里程碑式的技术突破，利用主流硅CMOS工艺制作了世界上首个多级石墨烯射频接收器，进行了字母为“I-B-M”的文本信息收发测试。这款接收器是迄今为止最先进的全功能石墨烯集成电路，它的性能比以往的石墨烯集成电路好1000倍，达到了与硅技术的现代无线通信能力相媲美的程度，可使智能手机、平板电脑和可穿戴电子产品等电子设备以速度更高、能效更低、成本更低的方式传递数据信息。

　　打开带隙是石墨烯取代硅材料的关键。超高载流子迁移率是石墨烯作为高速芯片材料的一个重大优势。但石墨烯的能带是连续的，不存在带隙。石墨烯的这种零带隙结构不能实现逻辑应用中所要求的频繁的开/关转换，限制了石墨烯晶体管在大规模集成电路中的应用（前面IBM展示的石墨烯电路是一种RF射频芯片，此类电路不依赖于较高的开关比）。因此要通过一定的方法使体系产生合适的带隙，增大石墨烯晶体管的开关比。

　　打开带隙的方法包括将石墨烯裁制为纳米条带或量子点、利用衬底材料破坏石墨烯两组子晶格的对称性、或在双层石墨烯加垂直于其平面的偏压等。

　　三星电子综合技术院研发出了不改变石墨烯本身也可隔离电流的材料。接合石墨烯和硅，形成一个叫做肖特基势垒（SchottkyBarrier）的能源壁垒，通过调整这个壁垒的高度可以实现电流的开关。三星电子此次发表的论文解决了石墨烯研究中的一大难题，为今后的研究开启了新的方向，并为在这个领取保持领先地位创造了条件。

　　英国曼彻斯特大学的科研人员设计出一种新型石墨烯晶体管，并在室温下展现出高达1×106的开关比率。在此次的研究中，科学家使用二硫化钨（WS2）作为中间层，其能够作为两个石墨烯夹层之间原子厚度的壁垒。与其他壁垒材料相比，二硫化钨的最大优势在于，电子可借助热离子运输方式从上方越过障碍，也可利用隧穿效应从下方穿过障碍。处于关闭状态时，极少电子能借助上述方式穿越障碍，但当调至开启状态时，电子既能选用一种方式逾越壁垒，亦能同时选择两种方式以实现类似效果。

　　理想的石墨烯晶体管应兼具石墨烯自身优异性能和高效的逻辑开关转换。由于石墨烯零带隙结构类似金属，而逻辑电路要求半导体性质，石墨烯的半导体化又可能使得石墨烯失去在导电性能方面的优势，因而石墨烯取代硅并非易事。能够不改变石墨烯本身优越性能又能实现高效的逻辑开关转换，或者将石墨烯与硅结合使得晶体管同时具备石墨烯的高载流子迁移率和硅的高开关比。这将是今后石墨烯芯片的研究方向。

　　全球对于多晶硅需求仍然十分旺盛。根据NPDSolarbuzz多晶硅和硅片供应链季度报告PolysiliconandWaferSupplyChainQuarterly显示，2014年全球多晶硅需求预计将大幅上涨至28.2万吨，比2013年增加25%。

　　散热材料领域

　　作为散热材料：更好的散热性能

　　石墨烯是已知的导热系数最高的物质。石墨烯理论导热率达到5300W/m??K，是常见导热材料Cu（401W/m??K）的13倍多，且远高于石墨。石墨烯所具有的快速导热特性与快速散热特性使得石墨烯成为极佳的散热材料，用于智能手机、平板手持电脑、大功率节能LED照明、超薄LCD电视等的散热。

　　石墨散热技术由于石墨的高导热性能以及相对廉价易生产得到了广泛的应用，包括iPhone、LG、小米、中兴等许多品牌都手机上都应用了石墨散热这一技术。

　　与石墨相比，石墨烯具有更优越的散热性能。以石墨烯制成的散热膜散热性能会大大优于石墨片。贵州新碳高科有限责任公司推出的中国首个纯石墨烯粉末产品--柔性石墨烯散热薄膜，该石墨烯散热薄膜外观与锡箔纸相似，柔韧能任意折叠，可用剪刀剪成任意形状，薄膜厚度控制在25微米左右，相当于普通A4纸的三分之一厚。据机构认证显示，该产品相较于常用的铜散热材料将提升4-6倍的散热效果，并具有良好的可加工性。

　　智能手机以及平板电脑等的渗透率的不断提升，为导热材料带来巨大的市场空间。由于市场对芯片速度要求越来越高，高功率成为了发展趋势，大频率芯片及大功率电池成为了智能手机和平板电脑的必然选择，这又会导致对散热性能更高要求，进一步增加对石墨散热膜的需求，也开启了性能更好的石墨烯散热薄膜的发展空间。

　　LED照明的巨大发展空间为石墨烯带来了机遇。LED照明灯具通过一块电致发光的半导体材料芯片实现光电转化，与传统白织灯相比，LED灯具有节能、环保、寿命长等优点。LED如同所有电子零件一般，在使用或运作的过程中都会产生热能及温升现象，目前高功率LED灯具的转换率仅有20%会转换成光，其余80%会转换为热，如果不能将热量导出灯具之外，将影响LED的发光效率和使用寿命，导致严重光衰及灯具毁损的后果。

　　LED的发光效率及寿命与工作温度息息相关，呈现反比关系。美国CREE所发布的LED寿命报告显示，温度每下降10℃寿命将延长2倍且光通量提升3%～8%。被动式散热是目前LED照明广泛采用的一种散热方式，被动式散热依靠灯具（高导热铝材料）自身的外表面与空气的自然对流将LED产生的热量散出，具有设计、组装简单，易与灯具的机械结构设计结合等优点。在这种方式中，选择合适的散热片至关重要。目前用于LED灯散热片主要是铝合金，然而金属材料存在难于加工、耗费能源、密度过大、导电、易变形以及废料难回收等诸多问题，而纳米石墨烯导热塑料可以解决这些问题，且大幅降低系统成本至少。

　　将石墨烯与塑料的有机结合，利用石墨烯具有的快速导热特性与快速散热特性，实现了对塑胶导热性的改性，可达到热传导特性与加工性的良好平衡。

　　石墨烯高导热塑料能达到媲美金属的散热性能。虽然石墨烯导热塑料的导热系数比金属材料低，但石墨烯导热塑料具有远高于抛光铝和氧化铝的的表面热辐射强度，这使得石墨烯能够更快速的与空气交换热量，将LED等内部的热量散发出去。综合来看，使用SKC石墨烯高导热塑料可以达到和金属相当的散热效果。石墨烯导热塑料若能在LED照明产品上面的大规模使用，带来的将是新技术革命性的创新，同时带来LED照明产品价格的大幅下降。

　　全球LED照明需求持续增长。根据NPDDisplaySearch的预测，聚光灯、LED灯具、路灯、LED灯泡和荧光灯管等所有LED照明产品的需求将于2016年达到9千万个，渗透率将从2012年仅5%提高到26%。商办照明的持续成长、政府补贴的实施、以及消费者对节能产品的需求是LED渗透率提高的主要原因，发展最为快速的是LED灯管代替荧光灯管应用于商办照明、LED路灯和各种LED新型灯具。

　　2012年到2016年间，LED照明在中国市场的成长力度将高于其他地区。政府补贴，如十二五规划，已经驱动了LED照明需求。2013年2月17日，中国6大部委联合发布《半导体照明节能产业规划》，目标到2015年，60W以上普通照明用白炽灯全部淘汰，白炽灯的市占率将降到10%以下；节能灯等传统高效照明产品市场占有率稳定在70%左右；LED功能性照明产品市场占有率达20%以上。LED照明节能产业产值年均增长30%左右，2015年达到人民币4500亿元，其中，LED照明应用产品人民币1800亿元。LED照明市场巨大的需求潜力为石墨烯在散热材料领域提供了广阔的发展平台。

　　生物医学领域

　　由于石墨烯的可修改化学功能、大接触面积、原子尺寸厚度、分子闸极结构等特色，可用于生物元件、微生物检测、疾病诊断、药物运输载体、快速DNA测序等。

　　功能化的氧化石墨烯（GO）是生物医学领域应用较多的石墨烯类材料。氧化石墨烯通常是由石墨经化学氧化、超声制备获得。由于氧化石墨烯含有大量的含氧活性基团，如羰基、羧基、羟基与环氧基等，因此具有良好的生物相容性和水溶液稳定性，同时有利于化学功能化修饰，以达到在不同领域应用的目的。

　　基于氧化石墨烯的纳米载药体系

　　纳米载药体系是指通过物理或化学方式将药物分子装载在纳米材料载体上，形成药物-载体的复合体系。它的主要优点包括：（1）能够显著提高靶区的药物浓度，从而改善药物的利用率和治疗效果，并降低药物的不良反应；（2）提高难溶性药物在水溶液中的溶解性；（3）将药物分子靶向递送至特定的细胞或器官；（4）可递送细胞难以摄取的生物大分子药物（如核酸、蛋白质）至细胞内的活性部位。

　　修饰GO作为抗癌药物载体性能优越。中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所利用聚乙二醇（PEG）修饰GO作为蛋白递送载体。蛋白药物生物活性好、毒性低，但易被生物体内存在的蛋白酶所降解，而且不能有效的递送到细胞内，导致其生物利用度大大降低，从而严重影响了蛋白药物的疗效，而GO不仅可以高效的负载蛋白，还可以有效的保护其不被酶水解。在此基础上将转铁蛋白（Tf）共价修饰在PEG化的GO表面，使药物递送体系可以穿过血脑屏障，进而将抗癌药物阿霉素（DOX）靶向递送至脑胶质瘤部位。体内试验表明，该递送系统可以靶向递送DOX至胶质瘤部位，并有效抑制肿瘤生长，显著延长荷瘤大鼠存活时间。

　　石墨烯可实现快速DNA测序

　　石墨烯的原子尺寸厚度，比DNA中相邻碱基的距离还短，加上各个碱基对电流不同的响应程度，使得石墨烯用于DNA快速测序技术成为了可能。

　　哈佛大学和美国麻省理工学院的研究人员证实石墨烯薄膜有可能制成人工膜用于DNA测序。研究人员将制得石墨烯在硅支架上延展，插入到两个独立的液体库之间，并用聚焦粒子束技术在石墨烯薄膜上刻蚀得到纳米孔。当流体槽存在电压时将推动离子通过石墨薄层，并显示电子流信号。研究人员将长DNA链加入流体中，它们能够通过电流一个一个地穿过石墨烯纳米孔。因为DNA分子穿过纳米孔时会阻断离子流，从而生成特征性的电子信号反馈DNA分子的大小和结构。不同碱基会引起不同的电流变化，因此能够根据电流对通过的DNA链完成快速测序。

　　科学家发现石墨烯会破坏细菌的细胞膜并“杀死”细菌。研究人员通过计算机模拟结合电子显微镜技术发现，当石墨烯接触到细菌的细胞膜后，能诱导细菌细胞膜上的磷脂分子脱离细胞膜并“攀爬”上石墨烯表面。基于分子动力学模拟的理论分析揭示出，石墨烯独特的二维结构使其可以与细菌细胞膜上的磷脂分子发生很强的色散相互作用，从而实现石墨烯对细胞膜上磷脂分子的大规模直接抽取。这样，石墨烯通过物理作用杀死细菌，为开发新型抗耐药的“绿色”抗生素提供了可能，如研制以石墨烯和氧化石墨烯为原料的新型“石墨烯创可贴”，“石墨烯绷带”等。

　　中科院研究人员成功开发出了新型石墨烯泡沫（Graphenefoam）用于神经干细胞支架材料，并系统研究了石墨烯支架与神经干细胞的相互作用。结果表明，三维石墨烯支架不仅能促进神经干细胞的增殖，还能够一定程度上诱导神经干细胞定向分化为功能神经元。进一步利用石墨烯碳材料良好的导电特性，对神经干细胞进行原位电刺激，诱导分化，获得了可逆特性的钙离子振荡响应。证明了三维石墨烯结构在神经组织工程及神经干细胞移植治疗领域的应用潜力。

　　环保领域

　　石墨烯及其衍生物、复合材料有较强的吸附性与过滤性，在海水淡化、污水处理方面有着巨大的应用前景。石墨烯是一种理想的无孔吸附剂，吸附作用主要发生在其表面。石墨烯和氧化石墨烯对水屮重金属离子具有较强的吸附能力，其吸附机理主要是静电吸附作用。石墨稀对水中染料如亚甲基蓝、亚甲基橙也表现出较强的吸附亲和力。氧化石墨烯对四环素的吸附作用较强，吸附机理主要仅括分子间作用力、静电作用等。

　　石墨烯氧化物能快速凝聚放射性核废料。莱斯大学化学家通过实验发现，石墨烯氧化物原子薄片能够迅速与自然及人造放射性核素相结合，并将这些放射性核素凝结成固体。这些薄片能溶于液体，易于大量生产。这对处理核事故导致的污染废料从而降低对生态环境的损害有巨大的意义。

　　在石墨烯表面进行磺酸基功能化处理，不但可以提高石墨烯的分散性，而且可以提高石墨烯的吸附能力。中科院研究人员实验研究表明，这种功能化石墨烯对萘和萘酚的吸附能力达到了每克2.4毫摩尔，是目前吸附能力最高的材料。此外，对石墨烯进行氧化处理，在其表面修饰含氧功能基团后，氧化石墨烯对金属离子也具有很好的吸附效果。

　　世界最轻材料由石墨烯制成。浙江大学制备出了一种超轻气凝胶--它刷新了目前世界上最轻材料的纪录。这种被称为“全碳气凝胶”的固态材料密度为每立方厘米0.16毫克，仅是空气密度的1/6。不同于一般制备气凝胶的溶胶凝胶法，该气凝胶是用冷冻干燥法将纳米碳纤维和石墨烯的混合溶液干燥而得到。这种材料具有极高的弹性，被压缩后可以弹回原状，同时还具备极高极快的吸附能力，每一克气凝胶可以以68.8克每秒的速度吸收储存至多高达900克的油。这为海域石油泄漏污染提供了高效清洁的处理方法。

　　石墨烯还有一项潜在的应用--淡化海水。当水分子（图中所示红色和白色部分）和钠离子、氯离子（绿色和紫色部分）遇到孔径合适的石墨烯时，水分子能够穿过，盐中的纳、氯离子则被阻止，通过这种选择透过方式完成了海水淡化。

　　石墨烯光电检测器能监测空气污染。香港中文大学成功发明了一项全新的光电检测器，有效推进高效率低成本红外光谱技术，可应用于环境和生物医学工程，如监测空气污染和分析人类呼吸疾病标记。研究人员利用透明胶带，从石墨中机械剥离出单一碳原子层的石墨烯，并将石墨烯置于硅悬浮薄膜光波导路的顶部，制作出异质结结构的光探测器。

　　该光探测器在中红外（波长从2微米到20微米），气体分子具有较强的共振吸收峰，可用来检测微量的气体浓度（十亿分之几），因此在化学光谱具有很多应用，如空气污染监测、气体[指纹]检测、以及分析人类呼吸疾病标记。目前，商用的中红外探测器通常采用价格昂贵的窄带隙半导体和含毒的汞化合物，并只可以在低温条件下操作。