石墨烯被誉为“神奇材料”，它将很快颠覆各行各业，并通过颠覆广泛的行业、改造数千种产品并减少数亿吨CO₂排放来迎来新的绿色工业革命。仅举几例，轻质混凝土、复合材料和金属可以改造数以万计的产品，这些材料广泛用于建筑基础设施、电动汽车和飞机机身等各个领域；显着提高可充电电池和太阳能电池的性能；提高量子计算机效率；将海水过滤成饮用水；并取代铜用于电力传输。石墨烯具有卓越的性能组合 – 比钢强 200 倍，电导率约为铜的 1,000,000 倍，电子迁移率是硅的 100 倍，并且能够在提高强度、灵活性和耐用性的同时实现轻量化产品。经济学家兼科技未来学家 George Gilder 预测石墨烯将产生 11.5 万亿美元的宏观经济影响。

然而，由于石墨烯的前景与实际性能改进之间存在巨大差距，人们并没有发生巨大的转变，而是在很大程度上令人失望。

对石墨烯的幻想破灭源于将其仅概念化为六方碳的单原子层，而忽略了实现石墨烯全部奇妙潜力所需的其他三个关键物理特性。

这种失望的根本原因是过分关注将石墨烯概念化为六方碳的单原子层，而排除了实现石墨烯奇妙品质组合所需的其他三个关键物理特性。石墨烯作为应用添加剂的最佳导电性、拉伸强度和性能同时取决于四个物理特性：薄度（层数）、横向尺寸、表面积和缺陷程度（例如孔洞或结合氧原子）。

为了实现真正的石墨烯作为添加剂材料的优异性能的结合，它必须是 1-5 个原子层薄，几乎没有缺陷（特别是没有碳氧键、层破裂或“孔洞”和其他残留污染物），并且具有数十微米的横向尺寸和足够大的表面积，足以在预期应用中赋予强度和高导电性（电导率和热导率）。真正石墨烯的最佳形式是大、薄且几乎无缺陷（LTDF）的石墨烯薄片。

本文回顾了数百家公司作为石墨烯销售的不同材料。结果是，如果只关注原子层的数量，不同材料的性能差异很大，而且几乎所有材料都无法提供使 LTDF 石墨烯具有“令人惊叹的因素”的性能组合。正如将要展示的，石墨烯材料的范围沿着连续体分布，石墨处于最低点，LTDF 石墨烯薄片提供峰值性能。

石墨

石墨通常是由范德华力结合在一起的数百万个二维石墨烯层。每个石墨烯层内的键都非常牢固，而石墨烯层之间的范德华键则要弱得多。石墨通常用于多种产品，例如铅笔、润滑剂、坩埚、铸造表面、抛光剂、弧光灯、电池、电动机刷和核反应堆堆芯。

也许石墨最重要的形式是一种经过高度加工的材料，称为球形石墨（SpG）。 SpG用于锂离子电池阳极、固定储能和环境保护，全球供应量的近80%是在中国生产的，已被拜登政府指定为关键材料。 SpG 非常适合电池阳极，因为其圆形形状可以实现更好的封装，从而赋予更高的能量密度、更长的寿命以及在充电和放电循环期间插入更多的活性位点。 SpG 目前是阳极制造中的关键部件。它占典型锂离子电池材料的不到 50%，占电动汽车电池重量的 28%。

氧化石墨烯

氧化石墨烯(GO)是通过剥离石墨现有的石墨烯层来制造的。GO 在基本六方结构和原子层数方面与真正的石墨烯相似，但它不是 >98% 的纯碳，而是在其表面和边缘含有高达 50% 的氧基缺陷，并具有一定范围的羟基 (―OH) 、烷氧基 (C―O―C)、羰基 (C=O) 和羧酸 (―COOH) 官能团。

石墨先使用强酸（硫酸或硝酸）和强氧化剂进行化学氧化，然后通过机械、声波、化学、热或光热方法进行剥离。由于氧化以及苛刻的剥离方法，GO 的横向薄片尺寸往往小于 2 微米。

GO 的特性与真正的石墨烯有很大不同。键合到氧化石墨烯层表面的氧有助于将它们与石墨分离，但会干扰 C=C 键的导电性和牢固网络。GO 的电阻率为 ~1000 Ω/sq。电导率约为10 ^-3 MS/M。它还具有非常低的导热率；虽然数值有所不同，但许多 GO 材料的导热系数在 0.5–1 W m ^-1  K ^-1范围内。此外，GO 是亲水性的，这意味着它溶解在水中（溶解度“主要取决于 GO/溶剂界面的化学相互作用”）。GO 已被用作过滤膜，但显然可能成为二次污染物，需要在过滤后捕获 GO。此外，新加坡大学先进二维材料中心提出了这样的担忧：GO 加工过程中引入的杂质可能会使其对水过滤有毒且具有生物不相容性。

由于其缺陷和小薄片尺寸，与 LTDF 石墨烯相比，GO 材料被认为质量非常低。GO 也无法达到 LTDF 石墨烯的拉伸强度和导电率。另一个关键区别是真正的 LTDF 石墨烯是疏水性材料，而 GO 是亲水性材料。

GO 的制造成本相对较低，但也使用刺激性的、对环境不友好的化学品。GO 使用的“最佳点”似乎是需要以尽可能低的价格点进行大量生产的应用，例如普通混凝土、沥青和一些不需要高性能的应用中的复合材料的添加剂，以及隔离涂层并作为填充材料。关于如何利用官能团缺陷来键合其他官能团以用于非常特定的应用的研究正在进行中。

还原氧化石墨烯

还原氧化石墨烯 (rGO) 是 GO 的某种纯化形式，具有六方碳主链和不同水平的含氧官能团。一旦石墨烯层从石墨剥离成GO，我们的想法是，通过去除GO中的氧，产品将更接近真正的石墨烯。纯化（或还原）过程不会增加，但可能会减小 GO 已经很小的薄片 (<2μm) 尺寸。rGO 的主要缺点之一是还原过程比其他石墨烯材料产生更多的结构缺陷。

这些缺陷位于晶格区域，其中的氧基团通过使用非常刺激的化学物质（例如肼或硼氢化钠）而被去除。这些缺陷抑制了rGO的机械和电气性能。

然而，由于rGO的氧含量（10%-15%）比GO低，因此其性能介于GO和真正的石墨烯之间，尽管远低于LTDF石墨烯。rGO 往往比 GO 更具疏水性。它具有几个 MS/M 的良好电导率。根据薄片尺寸、层数和残留氧缺陷的数量，其热导率变化很大，从 30 到 2600 W·m^-1·K^-1不等。

rGO 历来被视为生产可用石墨烯的更便宜的途径。人们经常选择它而不是 GO，因为它具有更好的性能。然而，石墨烯纳米片已成为 rGO 的一种较便宜的替代品，它不使用 GO 合成和还原为 rGO 所需的许多刺激性化学物质。rGO 仍用于较低使用价值的应用中，因为它相对于少层石墨烯在性能上有所欠缺，但它以较低的成本弥补了这一不足。

纳米片

制造商、经销商、研究人员和记者对纳米片有不同的定义。本质上，纳米片是纳米尺寸的石墨烯颗粒（20nm-500nm）形状像片状的堆叠，厚度在11-100个原子层之间，横向尺寸变化很大。纳米片本质上是薄薄的石墨堆，通常通过机械粉碎开采的石墨制成。由于堆叠层数较多，纳米片的表面积远低于 LTDF 石墨烯 – 想象一下拿起一张纸与一堆 50 张纸的对比。这些产品被不同地描述为纳米片、石墨烯纳米片 (GNP) 和剥离石墨纳米片 (xGnP)。这种材料甚至被称为“原始石墨烯”，因为其缺陷比 rGO 更少。但这是矛盾的，因为石墨烯和纳米片的定义是相互排斥的（石墨烯是 1-10 层，而纳米片是 11-100 层）。

虽然纳米片由六方碳制成，但它们的性能与 LTDF 石墨烯有很大不同，因为层数有很大差异。纳米片特性是介于石墨和真实石墨烯之间的中间地带，但失去了真实石墨烯所特有的高性能特性。它们比 rGO 含有更少的缺陷，但它们不达到真正石墨烯的质量水平，因为机械粉碎会导致薄片中出现孔洞和破裂。

在市场上，纳米片具有广泛的产品多样性。例如，纳米片的厚度可以从几纳米一直到 100 纳米。不仅如此，不同公司的纳米片横向尺寸也有很大差异，有时同一公司的不同批次也有很大差异。

纳米片与真正的石墨烯具有许多相同的特性，但它们的特性提供的性能要低得多。

例如，纳米片具有一定程度的导热性，具体取决于原子层的数量和片尺寸（范围从~3000 W·m^-1·K^-1到低1000 W·m^-1·K^-1）。电导率也是如此，它比真正的石墨烯低得多。

纳米片、GO 和 rGO 是人们对真正的石墨烯感到困惑和幻灭的核心。

与其他石墨烯材料（尤其是 LTDF 石墨烯）相比，纳米片的柔韧性往往较差，因为原子层数越多，纳米片就越硬、越脆。

由于纳米片的生产成本相对较低，因此它们可用于多种应用，包括阻隔/防护复合材料、导电涂料、作为聚合物和混合金属复合材料中的增强添加剂、作为将阻燃性引入复合材料、传感器中的填充材料，以及使电池电极更加坚固。与 GO 一样，纳米片越来越多地用于整个欧洲的道路路面。

纳米片、GO 和 rGO 是人们对真正的石墨烯感到困惑和幻灭的核心。由于纳米片有时以石墨烯的形式销售，因此购买纳米片的公司希望在将其添加到现有产品中时能够实现石墨烯的全部卓越品质。相反，这些材料的效果不佳。

石墨烯纳米颗粒/石墨烯粉末

石墨烯纳米颗粒（GN）（也称为石墨烯粉末）是迄今为止世界上增长最快的石墨烯材料部分。GN是指横向尺寸为500nm以下（低至1nm）的石墨烯。这些材料大部分是通过将甲烷等碳氢化合物转化为横向尺寸通常为 15 纳米至 200 纳米的纳米颗粒来制造的，但其他原料也越来越受到关注，例如垃圾、生物质和冶金焦炭。

GN 在一系列应用中备受推崇，但与 LTDF 石墨烯薄片（取决于应用）相比，GN 极小的横向尺寸限制了其导电性和强度。

越来越多的公司正在生产 GN，例如：

• 英国公司 Levidian 使用等离子体裂解工艺将甲烷转化为石墨烯纳米粒子和氢气。由此产生的石墨烯横向尺寸约为 200nm。

• 美国公司 Rimere 显然也使用等离子体技术裂解甲烷来生产氢气和石墨烯纳米颗粒。

• 加拿大的Universal Matter 使用Flash Joule 方法，该方法是由James Tour 教授在莱斯大学的实验室开发的。这涉及将高电流和高电压脉冲施加到碳材料上一百毫秒。由此产生的“乱层”石墨烯尺寸范围为 13nm-1.2μm。

• 美国 Hydrograph Clean Power 公司利用爆轰裂化含碳气体（乙炔），生产横向尺寸范围为 20nm-50nm 的乱层石墨烯纳米颗粒。

大多数石墨烯纳米粒子是石墨烯层的堆叠聚集体，在使用前需要剥离和分散，并且与 LTDF 石墨烯相比，其表面积低 2-3 个数量级。

3D石墨烯

Lyten, Inc. 是另一家将甲烷转化为石墨烯的公司。

Lyten 首先制造石墨烯“片”（其形状因数与石墨烯薄片不同）。由于石墨烯片的市场有限，Lyten 随后将这些片材“揉皱”，以创造出一种可用作添加剂材料的形状因子，这就是石墨烯片的使用方式。Lyten 将这些皱巴巴的薄片称为3D 石墨烯。

由于 3D 石墨烯是由甲烷合成的，因此每个石墨烯颗粒的尺寸在 15nm-200nm 范围内，这意味着与纳米颗粒的尺寸相同。3D 石墨烯片比石墨烯纳米片和石墨烯粉末具有更高的表面积，这在许多应用中都很重要，但不具备 LTDF 石墨烯的大横向尺寸和表面积。这极大地限制了 3D 石墨烯的拉伸强度和导电性。此外，目前还没有关于 3D 石墨烯的小粒径是否容易结块的研究，而纳米粒子、GO 和 rGO 可能会遇到这个缺点。因此，尚不清楚 3D 石墨烯是否会在结构中产生薄弱区域或干扰导电性或导热性。

虽然 3D 石墨烯在许多应用中可能比 GO 更好，但与真正的石墨烯，特别是 LTDF 石墨烯薄片相比，它受到很大的限制。然而，3D石墨烯产品对于高表面积石墨烯产品可能是可行的，而纳米片或大多数石墨烯粉末无法实现这一点。

大、薄且几乎无缺陷 (LTDF) 石墨烯

如上所述，当用作其他产品的添加剂时，石墨烯的最佳性能组合只能通过大、薄且几乎无缺陷的石墨烯薄片来实现。尽管大约有 20 种方法用于生产称为石墨烯的材料，但唯一一家拥有制造 LTDF 石墨烯薄片的已知技术的公司是 Avadain, Inc.。Avadain 的技术克服了与传统电化学剥离工艺分离薄片石墨的石墨烯层相关的问题。同时保留其大部分天然存在的大薄片尺寸。

Avadain 工艺创新的一个关键方面是氢化，而不是氧化。与 GO 和 rGO 生产过程中产生的重大缺陷不同，氢化通过热退火是完全可逆的，导致缺陷很少，从而实现非常高的电导率。此外，较大的平均尺寸减少了薄片之间桥的数量，这些桥在材料（复合材料、涂层等）内具有接触电阻。此外，横向薄片尺寸对于寻求显着提高强度、导热性和/或导电性或耐化学性的应用至关重要。世界范围内的研究表明，横向薄片尺寸越大，拉伸强度和导电率越高。与其他石墨烯材料形成鲜明对比的是，LTDF 石墨烯薄片由于其较大的表面积与体积比且不存在有问题的缺陷，也被证明可以在复合材料中形成更多的界面相互作用。

LTDF 较大的横向尺寸也意味着，理论上，与微小的石墨烯薄片/纳米颗粒相比，它不应该在主体材料中容易聚集。

这很重要，因为聚集会导致局部性能变化以及死区，几乎没有填料或没有填料，从而导致脆弱和开裂。使用较少体积的LTDF也可以实现性能改进，因为LTDF的横向尺寸显着增大，可以在整个主体材料中提供更均匀的分散。此外，应该注意的是，最佳应变转移需要一个临界长度。如果石墨烯横向尺寸太小，则复合材料内的应变不能最佳地转移到石墨烯上。因此，目前市场上大部分石墨烯的机械强度无法得到充分利用。

LTDF 石墨烯的密度非常低，重量约为 0.77 毫克/米²，但表面积极高。相比之下，一平方米纸张的重量是其1000倍。一立方米素混凝土重量约为 2,400 kg/m3。大多数用作添加剂的石墨烯是以最终产品的重量百分比来衡量的，而LTDF石墨烯是以体积来衡量的——这意味着，相对于LTDF石墨烯，必须使用几个数量级的其他石墨烯材料。想象一下，使用一张纸而不是一堆 50 张纸，与石墨烯纳米片、GO、rGO 或 3D 石墨烯相比，LTDF 石墨烯的重量相应减轻。

最后，LTDF石墨烯是疏水性的。此外，Avadain 的工艺避免了生产 GO 和 rGO 所需的刺激性化学品，使其成为一种环保工艺，可实现高剥离产量。

LTDF石墨烯片作为添加剂材料有数千种潜在的高使用价值应用，包括电力传输、储能、电动汽车、电动飞机、电池电极、聚合物复合材料、建筑材料、国防、防腐涂料、和水过滤等等。

关于 CVD 石墨烯的注意事项

General Graphene 和 Grolltex 等一些公司使用化学气相沉积 (CVD) 来制造片状石墨烯（而不是薄片或颗粒）。石墨烯片在赋予其他产品卓越性能方面的用途有限（Lyten 品牌的 3D 石墨烯在储能领域可能是个例外）。然而，值得一提的是，美国和全球的 CVD 产能都很大。

CVD 石墨烯是在基材（最常见的是铜箔）上逐个原子构建的，而不是从石墨上剥离完全形成的石墨烯层。底层基材充当反应的催化剂，因此当将甲烷和惰性载气（氮气、氦气等）送入加热室时，催化表面上会发生反应，分解甲烷并在其中形成石墨烯的过程。

CVD 石墨烯是单层的，通常形成时没有缺陷。其成本远高于其他石墨烯材料，并且基于卷对卷加工的挑战，通常认为生产可扩展性较低。目前尚不清楚是否已经开发出可盈利的应用。目前的一些用途包括用于太阳能电池、液晶显示器、发光二极管和触摸屏以及场效应晶体管 (FET)、柔性电子产品、传感器和可穿戴设备的透明电极。在 CVD 石墨烯的一些高价值用途中，LTDF 石墨烯薄膜是否会受到工业界的青睐还有待观察，因为 LTDF 应该更容易使用。

CVD 石墨烯并非没有挑战，包括可制造性。从形成石墨烯的基底上去除、操纵或转移CVD石墨烯是很棘手的，而且超净铜催化剂薄膜非常昂贵。它还需要严格的工艺参数，如果不能精确实现，可能会产生缺陷。这些缺陷的存在将影响石墨烯片的电学和机械性能。另一个挑战是 CVD 工艺使用刺激性化学品并产生有毒废气。最后，形状因素（单个石墨烯片）限制了其作为添加剂的用途。

结论

仅根据厚度（10 层或更少的六角碳原子，每个原子与蜂窝结构中的三个相邻原子结合）来定义石墨烯，导致了很大的混乱。该定义涵盖了广泛的材料，包括 GO、rGO、3D 石墨烯、石墨烯颗粒/粉末和 LTDF 石墨烯，但不包括纳米片。然而，石墨烯的这种定义不足以实现“神奇材料”的奇妙特性的完全结合，这种材料有望颠覆行业并改变数千种产品。

行业和政府经常报告对大多数此类材料的性能感到失望。这种失望源于真正石墨烯的预期效益与所提供材料的性能之间的脱节，这些材料仅因原子层的数量而作为石墨烯销售。如上所述，要释放石墨烯的所有非凡品质，同时需要四种特性——薄度、横向尺寸、表面积和缺陷程度。

查看石墨烯材料的正确方法是沿着使用性能连续体，其中石墨处于最低点，LTDF 石墨烯处于峰值。每种材料都有基于其成本效益的用途。石墨烯的适当选择取决于使用价值方程。对于道路建设，GO 或纳米颗粒可能是最具成本效益的。对于汽车应用中的隔音，纳米片可能是最佳选择。但对于需要最佳强度、导电性和/或耐久性的高价值应用来说，LTDF 石墨烯是无可替代的。

毫无疑问，真正的石墨烯是一种神奇的材料，有望创造一场令人兴奋的绿色工业革命。当添加到现有材料中时，它有可能通过提高强度重量性能、导电性和导热性、耐化学性和抗渗透性来帮助解决地球上一些最紧迫的需求。对高性能的需求越大，对连续体石墨烯的质量要求就越高。

LTDF石墨烯提供真正石墨烯的最佳性能。其潜力的一些例子包括：

• 通过开发更轻的底盘和机身、更高效的电动机以及更轻、更强大的电池，大幅减少运输和移动的碳足迹

• 通过减少混凝土和其他建筑材料的用量来减少建设新基础设施的碳足迹（混凝土是单一最大的二氧化碳排放源，约占全球排放量的8%）

• 无需厚铜即可提高输电线路的效率

• 提高太阳能电池、风力涡轮机、氢燃料电池和储能设备的效率，以支持更快地采用可再生能源技术

• 创造节能且具有成本效益的海水淡化膜，以解决全球水资源短缺的问题

• 通过提高设备和基础设施的效率和生命周期，减少更有效的涂料和润滑剂的浪费和维护成本

• 实现新一代电子产品、医疗设备、药物输送，是的，甚至可能取代计算机芯片……

一旦行业和政府更好地了解不同材料的性能特征，石墨烯最终可以实现乔治·吉尔德（George Gilder）预测的11.5万亿美元的宏观经济影响。