一、石墨烯為什么被譽為新材料之王（黑金）？

石墨烯是一種從石墨材料中剝離出的單層碳原子面材料，是碳的二維結構。這種石墨晶體薄膜的厚度只有0.335納米，如果把20萬片薄膜疊加到一起，僅僅有一根頭發(fā)絲那么厚。

早在2004年，英國曼徹斯特大學物理學家安德烈?蓋姆（Andre Geim）和康斯坦丁?諾沃肖洛夫（Kostya Novoselov），成功從石墨中分離出石墨烯，證實它可以單獨存在，他們兩人也因此共同獲得2010年諾貝爾物理學獎。


石墨烯原本就存在于自然界，僅僅是難以剝離出單層結構。實際上石墨烯一層層疊起來就是石墨，厚1毫米的石墨大約包含300萬層石墨烯。實際上用鉛筆在紙上輕輕劃一下，留下的痕跡可能是幾層甚至僅僅一層石墨烯的厚度。

在人類發(fā)現(xiàn)石墨烯之前，全球很多物理學家觀點認為，熱力學漲落不允許任何二維晶體在有限溫度下存在。因此，石墨烯的發(fā)現(xiàn)當時震撼了凝聚體物理學學術界。盡管全球理論界和實驗界都認為完美的二維結構無法在非絕對零度穩(wěn)定存在，但是單層石墨烯在實驗中依然被制備出來。


石墨烯對世界物理學基礎研究擁有十分特殊意義，原因是它讓一些此前只能通過“紙上談兵”的量子效應可以通過實驗來驗證，比如電子無視障礙、它能夠實現(xiàn)幽靈般的穿越。但更令科學家感興趣的，是石墨烯擁有許多“極端”的物理性質。

二、石墨烯的十分重要特性及功能有哪些？

石墨烯作為世界上目前發(fā)現(xiàn)的最薄、最堅硬、導電導熱性能最強的一種新型納米材料，石墨烯因此被譽稱為“黑金”，是“新材料之王”，許多科學家甚至開始預言石墨烯將“徹底改變21世紀”。

石墨烯不但是最薄的材料，同時也是最強韌的材料，值得一提的是，石墨烯的斷裂強度比最好的鋼材還高200倍。石墨烯有很好的彈性，拉伸幅度能達到本身尺寸的20％。假如用一塊面積1平方米的石墨烯做成吊床，本身重量不足1毫克可以承受一只貓的重量。


令人難以想象的是，石墨本身幾乎是最軟的礦物質（莫氏硬度只有1~2級），假如“切”成一個碳原子厚度的薄片時，石墨烯的“性格”會發(fā)生如此之大的變化。、石墨烯的硬度比莫氏硬度10級的金剛石還要高，但它卻有非常好的韌性，并且可以彎曲。


石墨烯外圍只有一層原子，因此電子的運動被限制在一個平面上，石墨烯也有全新的電學屬性。值得一提的是，石墨烯是世界上導電性最好的材料，電子在其中的運動速度達到了光速的1/300，遠超過電子在一般導體中的運動速度。


石墨烯最有潛力的應用是成為硅的替代品，比如制造超微型晶體管，制造未來的超級計算機。據(jù)權威專家分析，假如采用石墨烯取代硅，那么計算機處理器的運行速度將會快數(shù)百倍。

需要特別指出的是，石墨烯幾乎是完全透明的，只吸收2.3%的光。同時它又十分致密，即使是最小的氣體原子(氦原子)也無法穿透。石墨烯這些重要特征使得它十分適合作為透明電子產(chǎn)品的原料，比如透明的觸摸顯示屏、發(fā)光板和太陽能電池板。


石墨烯具有很強的化學敏感性，能夠制成高效探測器等。比如涂有石墨烯的傳感器能夠檢測到含有用于炸藥、氨等化學物質的低濃度的蒸汽。

三、石墨烯未來的巨大應用前景是怎樣的？

石墨烯的許多重要特性注定要給全球諸多產(chǎn)業(yè)帶來翻天覆地的巨大變化，并且展現(xiàn)了極大的研發(fā)應用前景。比如在塑料里摻入百分之一的石墨烯，能使塑料具備十分良好的導電性；如果加入千分之一的石墨烯，能使塑料的抗熱性能提高30攝氏度。并且在此基礎上可以研制出薄、輕、拉伸性好和超強韌新型材料，可以用于制造飛機、汽車和衛(wèi)星。


中國科學家發(fā)現(xiàn)細菌的細胞在石墨烯的紙上無法生長，而人類細胞則不會受損。因此，利用石墨烯這個特性可以利用它來做繃帶、食品包裝甚至抗菌T恤衫。值得一提的是，西班牙Graphenano公司同科爾瓦多大學合作研究出全球首例石墨烯聚合材料電池，其儲電量是目前市場最好產(chǎn)品的三倍，并且用此電池提供電力的電動車最多能行駛1000公里，而充電時間還不到8分鐘。最重要的是其成本將比鋰電池低接近80%。


由美國韓國的科研人員組成的聯(lián)合小組報告稱他們將小片石墨烯連接到金屬電極上，懸空于基底材料上方并加載一定的電流使其加熱，制成了只有一層原子的世界上最薄電燈泡，未來或將制成最薄的顯示器。


綜上所述，石墨烯無疑是具有革命性的新材料。


值得一提的是，中國尤其在石墨烯研究上具有十大獨特的優(yōu)勢。作為石墨烯生產(chǎn)原料的石墨，中國的儲存量十分豐富，尤其是價格低廉。值得一提的是，批量化生產(chǎn)和大尺寸生產(chǎn)是阻礙石墨烯大規(guī)模商用的最主要因素。事實上，中國已成功突破這兩大難題，并且將制造成本已從之前的5000元/克降至3元/克，而且解決了這種材料的量產(chǎn)難題。重要的是，中國科研人員利用化學氣相沉積法成功制造出了國內(nèi)首片15英寸的單層石墨烯，并成功地將石墨烯透明電極應用于電阻觸摸屏上，制備出了7英寸石墨烯觸摸屏。



根據(jù)國家金融信息中心指數(shù)研究院全球首個石墨烯指數(shù)。指數(shù)評價結果顯示，全球石墨烯產(chǎn)業(yè)綜合發(fā)展實力排名前三位的國家分別是美國、日本和中國。


由于石墨是熱和電的極佳導體，在常溫下有良好的化學穩(wěn)定性，能耐酸、耐堿，并耐有機溶劑的腐蝕。再加上由于鋰離子電池的用途越來越廣泛，石墨作為生產(chǎn)鋰離子電池的主要原料之一，越來越受到全球采礦業(yè)的重點關注。比如2020年，中國石墨生產(chǎn)位居全球首位，莫桑比克和巴西分別位居第二和第三。中國尤其在片狀石墨到陽極供應鏈的開采和精煉方面均占主導地位。基于美國地質調(diào)查局（US Geological Survey）的《礦產(chǎn)概要-2021》（《Mineral Commodity Summaries-2021》）的數(shù)據(jù)，下面將分別介紹世界10大石墨儲存國家：

四、全球石墨烯十大生產(chǎn)國

1、中國（石墨產(chǎn)量：650,000噸）

中國是全球最大的石墨生產(chǎn)國。2020年，中國石墨產(chǎn)量為65萬噸，差不多與前兩年的產(chǎn)量持平。2020年，中國石墨產(chǎn)量占全球石墨總產(chǎn)量的62％。

盡管目前中國牢牢控制了石墨市場，但西方投資者并不希望中國永遠保持統(tǒng)治地位。另外，近年來石墨開采國一直在嘗試簡化生產(chǎn)，提高效率。該過程對環(huán)境污染較大，出于保護環(huán)境的目標，中國關閉了山東的某工廠。上述原因可能會進一步影響中國未來的石墨生產(chǎn)。

中國作為世界第一大石墨生產(chǎn)國，曾擁有石墨礦山194座，其中大型礦山40座，中型19座，小型135座，主要分布在內(nèi)蒙古、黑龍江、河北、山東、湖南及四川等地。值得一提的是，自2017年，我國石墨烯相關專利申請數(shù)量保持在1萬件以上，中國在石墨烯研究處于世界領先位置。據(jù)中國知識產(chǎn)權局、Wind數(shù)據(jù)庫資料，中國早在2015年中國專利申請數(shù)量達7925個，居全球第一。

值得一提的是，石墨烯由于在許多研究中展示出驚人的特征，所以都以樣品質量非常高為基礎。所以要想獲得電學和機械性能都最佳的石墨烯樣品，需要最費時費力費錢的手段-機械剝離法。石墨烯作為一種人造材料，石墨烯產(chǎn)業(yè)是一個典型的“技術＋資本密集型行業(yè)”，需要大量的資本投入，以供技術研發(fā)和市場拓展。

需要指出的是，在石墨烯產(chǎn)業(yè)化方面，國外大公司的推動力量比較明顯。比如韓國，由于石墨烯在三星的主營業(yè)務領域均有著重大的應用前景，因此對于石墨烯的研究應用極為重視，不僅成立了自己的研發(fā)中心，還和韓國成均館大學合作，積累了大批石墨烯相關的技術專利。

再比如美國擁有IBM、英特爾、波音等大公司，有利的創(chuàng)業(yè)環(huán)境催生了眾多小型石墨烯企業(yè)，形成了較為完整的產(chǎn)業(yè)鏈，覆蓋從制備及應用研究到石墨烯產(chǎn)品生產(chǎn)，直至下游應用全環(huán)節(jié)，加速了石墨烯的產(chǎn)業(yè)化和應用進程，產(chǎn)業(yè)布局呈多元化。

值得一提的是，《中國制造2025》重點強調(diào)：應發(fā)展以石墨烯為首的新材料的基礎研究和體系建設，突破產(chǎn)業(yè)化制備瓶頸，高度關注顛覆性新材料對傳統(tǒng)材料的影響，做好石墨烯等戰(zhàn)略前言材料提前布局和研制。

2、莫桑比克（石墨產(chǎn)量：120,000噸）

莫桑比克的石墨生產(chǎn)取得了巨大的進步，2020年產(chǎn)量已達到12萬噸。西拉資源（Syrah Resources）和海王礦業(yè)（Triton Minerals）是莫桑比克兩個主要的石墨生產(chǎn)商。

莫桑比克的一個石墨礦項目于2018年初開始運營。據(jù)報道，該礦是全球最大的天然石墨礦。該礦在2019年削減了產(chǎn)量以穩(wěn)定石墨價格。該礦預計將運營50年。

莫桑比克被認為最有望成為全球石墨開采的先鋒。由于澳大利亞西拉資源公司（Syrah Resources）計劃重啟莫桑比克北部省份巴拉馬（Balama）石墨礦的生產(chǎn)而寄予厚望。莫桑比克巴拉馬石墨礦被認為是世界上最大的高品位（16%）石墨礦床，尤其是礦區(qū)開采年限達50年以上。因此，西拉公司能夠長期參與未來電動汽車行業(yè)的發(fā)展。

另外，莫桑比克已是天然氣領域的領頭羊。據(jù)美國能源信息署（United States Energy Information Administration）稱，莫桑比克已探明天然氣儲量100萬億立方英尺，是非洲第3大已探明天然氣儲量國，僅次于尼日利亞和阿爾及利亞。

3、巴西（石墨產(chǎn)量：95,000噸）

全球天然石墨生產(chǎn)國高度集中，主要在中國、印度和巴西3國。巴西在2020年成為世界第三大石墨生產(chǎn)國，產(chǎn)量為95,000噸。巴西還是世界第三大天然石墨出口國，主要出口到德國、美國、波蘭、比利時、印度等國家。

巴西在石墨產(chǎn)量領域，最大的金屬生產(chǎn)商是私營的。最主要的石墨生產(chǎn)企業(yè)是巴西國家石墨公司(Nationalde Grafite Ltda)，該公司也是世界最大的石墨生產(chǎn)企業(yè)之一，巴西國內(nèi)天然石墨主要由其提供。另外，格拉菲塔公司(GrafitaMGLtda)也是巴西國內(nèi)重要的石墨生產(chǎn)企業(yè)之一。

值得一提的是，全球石墨礦產(chǎn)資源分布廣泛，但儲量分布相對集中。全球范圍內(nèi)，巴西、中國、印度、墨西哥、馬達加斯、韓國等國都有石墨資源分布，但儲量分布相對集中。美國地質調(diào)查局(USGS)數(shù)據(jù)顯示，全球石墨儲量2.5億t，土耳其、巴西、中國的總儲量占全球儲量的85%以上，其中土耳其9000萬t，占比36.00%；巴西7200萬t，占比28.80%。

4、馬達加斯加（石墨產(chǎn)量：47,000噸）

馬達加斯加是世界第四大石墨生產(chǎn)國。據(jù)美國地質調(diào)查局的數(shù)據(jù)，馬達加斯加的一些礦山于2018年開始提高產(chǎn)量；而東非國家目前正在開發(fā)更多的大型石墨礦床。

馬達加斯加共和國位于非洲東部，隔莫桑比克海峽與非洲大陸相望，是世界第四大島。馬達加斯加礦產(chǎn)資源豐富，素有“礦石博物館”之稱。主要礦產(chǎn)有鐵、鉻、鈦、鎳、鈷、鋁、金、石墨、煤及寶石類礦產(chǎn)祖母綠、紅藍寶石等。據(jù)現(xiàn)有資料，除少數(shù)礦產(chǎn)賦存在晚古生代—新生代沉積地層中外，大部分礦產(chǎn)分布于前寒武紀構造—巖漿—變質雜巖區(qū)。


馬達加斯加石墨烯主要分布于馬達加斯加東部Marivolanitra地區(qū)，在南西部Analamateza一帶也有少量分布，現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)礦產(chǎn)地15處，估計石墨資源量2億t以上，礦床類型為沉積變質型。馬達加斯加石墨礦資源居非洲首位，是該國主要開發(fā)礦種和世界優(yōu)質石墨重要產(chǎn)地之一。

Marivolanitra地區(qū)為馬國主要石墨礦集區(qū)，從北部Ambatomitamba至南部Marovintsy面積約800km2的范圍內(nèi)，集中了大中型石墨礦產(chǎn)地8處，資源儲量超過1億t。該區(qū)亦是馬國主要石墨開發(fā)區(qū)，主要礦山包括Antsirakambo、Ambalafotaka、Marovintsy等，主要生產(chǎn)企業(yè)有：EtablissementsGallois、SocieteMinieredelaGrandeIle等。

5、印度（石墨產(chǎn)量：34,000噸）

印度是僅次于中國的世界第二大石墨生產(chǎn)國。印度國內(nèi)的石墨生產(chǎn)主要集中在奧里薩邦、拉賈斯坦邦、安德拉邦、比哈爾邦、古吉拉特邦以及泰米爾納德邦。其中奧里薩邦的產(chǎn)量占全國總產(chǎn)量的65%～75%。阿格拉瓦爾石墨工業(yè)公司(Agrawal Grapgite Industries)和TP礦產(chǎn)公司(TP Minerals Pvt. Ltd.)是印度最主要的兩家石墨生產(chǎn)企業(yè)，主要生產(chǎn)鱗片石墨和粉狀石墨產(chǎn)品。

印度2020年石墨總產(chǎn)量為34,000噸，低于2019年的產(chǎn)量。其中阿魯納恰爾邦（Arunachal Pradesh）擁有印度近一半的石墨儲量。印度共有8個主要的石墨生產(chǎn)商，包括蒂魯伯蒂碳和石墨公司（Tirupati Carbon & Graphite）、喬塔納格普爾石墨工業(yè)（Chotanagpur Graphite Industries ）、碳和石墨產(chǎn)品公司（ Carbon & Graphite Products）等。

6、俄羅斯（石墨產(chǎn)量：24,000噸）

俄羅斯是全球第六大石墨生產(chǎn)國。俄羅斯2020年的石墨產(chǎn)量較2019年的25,100噸略有下降。由于達爾格拉菲特（Dalgrafit）和烏拉爾石墨（Uralgraphite）兩個投資項目啟動，預計俄羅斯在未來幾年產(chǎn)量將顯著增加。Energoprom Group是俄羅斯唯一的主要石墨電極供應商，在Novocherkassk，Novosibirsk和Chelyabinsk有石墨電極工廠。公司產(chǎn)品種類繁多，包括從大型系列產(chǎn)品(石墨化電極、炭電極、陰極炭塊)到特制石墨設備和石墨結構產(chǎn)品(化工設備、特種石墨)。公司石墨電極產(chǎn)能為5萬噸

據(jù)SteelMint的數(shù)據(jù)，俄羅斯是石墨電極凈進口國，進口量約52%來自中國，其次是西班牙(22%)和法國(13%)。

值得一提的是，俄羅斯莫斯科國立科技大學 MISIS 的科學家，曾經(jīng)發(fā)明了一種在室溫下制造石墨烯的方法。這項技術能夠使得石墨烯與低熔點金屬粉末混合，制造出的復合材料可以應用于航空航天。這種復合材料還可以應用到 3D 打印技術中，提高結構強度。研究人員表示，在 3D 打印基材中添加石墨烯可以改善成品導熱性，增加機械強度和導電性，可以為航空航天工業(yè)制造復雜零件。值得一提的是，工業(yè)上獲得石墨烯的方法之一是電化學反應，需要在 500℃-700℃的高溫下進行，然而不能夠應用于鋁等低熔點金屬，這大大限制了制造復合材料的范圍，因為航空航天為了保證輕量，曾大量使用鋁合金材質。

7、烏克蘭（石墨產(chǎn)量：19,000噸）

烏克蘭的礦產(chǎn)資源十分豐富，擁有72種礦產(chǎn)資源，主要有煤、鐵、錳、鎳、汞、鈦、古墨、耐火土、水銀、鋁、礦物化學原料、建筑材料、石油、天然氣等。鐵礦的儲量曾約占前蘇產(chǎn)量的1/2，錳的儲量居世界前位（曾經(jīng)占前蘇聯(lián)產(chǎn)量的3/4）。

烏克蘭曾經(jīng)是前蘇聯(lián)在石墨原料的產(chǎn)量和儲量方面均為名列前茅的地區(qū)之一。烏克蘭扎瓦利葉夫礦床的開采石墨烯就可獲得幾萬噸高品位的石墨精礦,石墨烯占前蘇聯(lián)石墨精礦產(chǎn)量的約60％。

烏克蘭2020年的石墨產(chǎn)量低于2019年的20,000噸。扎瓦列耶夫斯基石墨（Zavalyevskiy Graphite）是該國一家大型的石墨生產(chǎn)企業(yè)。該公司自1934年開始運營以來，每年生產(chǎn)多達30,000噸的天然片狀石墨。

8、挪威（石墨產(chǎn)量：15,000噸）

2019年到2020年，挪威的石墨開采產(chǎn)量幾乎持平。該國所有的石墨礦床都含有片狀石墨，通常噸位較低。大多數(shù)礦山都位于開發(fā)條件較好的地區(qū)，如靠海或靠近電網(wǎng)。

值得一提的是，挪威科學技術大學的研究人員成功地在石墨烯表面制造了發(fā)光二極管(LED)。據(jù)研究簡報顯示，該團隊能夠創(chuàng)造出一種有可能成為商業(yè)產(chǎn)品的新電子元件。這種二極管是無毒的，可能比今天的熒光燈更便宜、更穩(wěn)定、更耐用。

9、巴基斯坦（石墨產(chǎn)量：13,000噸）

巴基斯坦為世界第二大石墨進口國，進口量曾經(jīng)達到19.3萬噸。有關巴基斯坦石墨開采的信息很少，畢竟巴基斯坦的體量與中國不是一個等級上的。另外，巴基斯坦的經(jīng)濟相對落后一些，產(chǎn)量上很難滿足，大量進口是必然的。

10、加拿大（石墨產(chǎn)量：10,000噸）

北美天然石墨產(chǎn)量占全球總產(chǎn)量的4%，主要由加拿大和墨西哥生產(chǎn)。加拿大作為石墨潛在來源地位一直在上升。必然特斯拉（TESLA）曾經(jīng)表示，計劃將內(nèi)華達州作為其北美鋰離子電池超級工廠所需鋰、石墨和鈷的主要來源地。

值得一提的是，加拿大滑鐵盧大學應用納米材料與清潔能源實驗室陳忠偉教授的科研團隊協(xié)同加拿大滑鐵盧大學科技公司成功開發(fā)了一種石墨烯硅基鋰離子電池技術，這項技術采用55%以上的硅材料作為負極活性材料，硫摻雜的石墨烯以及聚丙烯腈作為輔助，通過簡單的高溫處理，實現(xiàn)電極微觀結構的構筑成型，所測試的電化學性能與目前商業(yè)化電池相比，比容量提提高了6-7倍，循環(huán)壽命達到2200次以上